"Girly Air Force" ist eine Anime-Serie, die in einer Welt spielt, in der die Menschheit von mysteriösen, feindlichen Wesen namens Zai bedroht wird. Diese Kreaturen tauchten plötzlich auf und haben die globale Luftüberlegenheit übernommen, was die Menschheit dazu zwingt, nach neuen Wegen zu suchen, um sich zu verteidigen. Als Reaktion auf diese Bedrohung entwickeln Wissenschaftler fortschrittliche Kampfflugzeuge, die von humanoiden KI-Einheiten, den sogenannten "Anima", gesteuert werden. Diese Anima sind humanoide Wesen mit menschlichem Aussehen und eigenem Bewusstsein, die jedoch speziell für den Kampf gegen die Zai geschaffen wurden.

Die Handlung konzentriert sich auf Kei Narutani, einen jungen Mann, der seit seiner Kindheit von Flugzeugen fasziniert ist. Nachdem er Zeuge eines Luftkampfes zwischen einer Anima und den Zai wird, trifft er auf Gripen, eine Anima, die sich von den anderen unterscheidet, da sie ein eigenständiges Bewusstsein und eine eigenständige Persönlichkeit besitzt. Kei beschließt, sich der Luftwaffe anzuschließen, um Gripen zu unterstützen und mehr über die Anima und ihre Rolle im Kampf gegen die Zai zu erfahren. Im Laufe der Serie wird die Beziehung zwischen Kei und Gripen vertieft, während sie gemeinsam gegen die Zai kämpfen und die Geheimnisse hinter ihrer Existenz aufdecken.

Weitere wichtige Charaktere sind unter anderem Phantom, eine weitere Anima, die eine eher kühle und distanzierte Persönlichkeit besitzt, und Xiaoyu Ling, eine Pilotin, die eng mit Kei und Gripen zusammenarbeitet. Die Serie erkundet die Dynamik zwischen Menschen und Anima, die ethischen Fragen, die sich aus der Schaffung von KI-Einheiten mit eigenem Bewusstsein ergeben, sowie die Herausforderungen, die der Kampf gegen eine übermächtige Bedrohung mit sich bringt. Die Handlung entwickelt sich durch eine Mischung aus Luftkämpfen, zwischenmenschlichen Beziehungen und der allmählichen Enthüllung der wahren Natur der Zai und der Anima.