Die OVA "Nekomachi" spielt in einer kleinen, abgelegenen Stadt, die von einer mysteriösen Atmosphäre umgeben ist. Die Handlung dreht sich um eine Gruppe von Jugendlichen, die zufällig auf eine alte Legende stoßen, die besagt, dass die Stadt von Katzenwesen bewohnt wird, die in der Lage sind, menschliche Gestalt anzunehmen. Diese Wesen, bekannt als Nekomata, leben im Verborgenen und haben eine tiefe Verbindung zur Geschichte und den Geheimnissen der Stadt.

Die Protagonistin, eine junge Schülerin namens Aya, zieht mit ihrer Familie in die Stadt und beginnt, seltsame Vorkommnisse zu bemerken. Sie trifft auf einen mysteriösen Jungen namens Kaito, der sich als Wächter der Nekomata entpuppt. Kaito erklärt Aya, dass die Nekomata die Stadt vor einer uralten Bedrohung schützen, die vor Jahrhunderten von den Menschen verursacht wurde. Diese Bedrohung, ein dunkler Geist, droht nun, zurückzukehren und die Stadt zu zerstören.

Aya und Kaito schließen sich zusammen, um die Geheimnisse der Nekomata zu erforschen und die drohende Gefahr abzuwenden. Dabei treffen sie auf weitere Charaktere, darunter eine ältere Nekomata namens Yuki, die über umfangreiches Wissen über die Geschichte der Stadt verfügt, und einen jungen Nekomata namens Riku, der sich Aya und Kaito anschließt. Gemeinsam müssen sie herausfinden, wie sie den dunklen Geist besiegen können, ohne die fragile Balance zwischen Menschen und Nekomata zu gefährden.

Die Handlung entwickelt sich durch eine Mischung aus Spannung, Mysterium und gelegentlichen humorvollen Momenten. Die Beziehung zwischen Aya und Kaito vertieft sich im Laufe der Geschichte, während sie gemeinsam die Geheimnisse der Stadt und die wahre Natur der Nekomata enthüllen. Die OVA endet mit einem offenen Finale, das Raum für Interpretationen lässt und die Zuschauer mit Fragen über das Schicksal der Stadt und ihrer Bewohner zurücklässt.