Zwei Synchronsprecher in weißen Laborkitteln stehen in einem Tonstudio, doch der übliche Stapel an Skripten ist nirgends zu finden. Dies ist die zentrale Prämisse eines einzigartigen Unterhaltungsprogramms, in dem Animation nicht aus vorgefertigten Dialogen, sondern aus reiner Improvisation entsteht. Die leitende Forscherin Nr. 001 Emiri Katou und die leitende Forscherin Nr. 002 Kaori Fukuhara, echte Synchronsprecherinnen, die für ihre Arbeit an Lucky Star bekannt sind, werden wöchentlich von einem Gastforscher begleitet. Zusammen erhalten sie nur eine grundlegende Kulisse und Charaktereigenschaften und müssen dann eine komplette Szene aus dem Stegreif improvisieren. Animatoren nehmen anschließend ihre improvisierte Darbietung und erstellen danach die visuellen Elemente, wodurch der traditionelle Produktionsprozess japanischer Animation völlig umgekehrt wird.

Die Kulisse wechselt zwischen dem realen Tonstudio, in dem die Synchronsprecher auf ihre eigenen spontanen Kreationen reagieren, und der fiktiven Welt von Takamagahara. In diesem himmlischen Reich liegt die Amatsu Katsuragi Akademie, eine Berufsschule für angehende Gottheiten. Die wiederkehrenden animierten Segmente drehen sich um zwei leistungsschwache Schüler: den energiegeladenen und impulsiven Raika, einen angehenden Donnergott, und die ruhige, aber scharfzüngige Fuuka, eine angehende Windgöttin, die eine tiefe Unsicherheit wegen ihrer flachen Brust hegt. In der ersten Hälfte der Serie stehen die beiden vor dem akademischen Ausschluss und müssen Sonderkurse bei einer sich ständig ändernden Reihe exzentrischer göttlicher Lehrer besuchen, wie dem schwesterbesessenen Daikokuten oder dem auffälligen, im Waschbärkostüm gekleideten Fukurokuju aus New York.

Die Erzählung erfährt nach den ersten vierzehn Episoden eine deutliche Wendung. Nachdem sie knapp einer Wiederholung entgangen sind, werden Raika und Fuuka in das zweite Jahr versetzt und beginnen eine neue Form der praktischen Ausbildung. Sie werden in die Menschenwelt geschickt, speziell in die Heimatstadt des wöchentlichen Gastforschers, wo sie Menschen in Not helfen müssen. Diese Herausforderung wird vom Gast überwacht, der beurteilt, ob die Bemühungen des Paares zu einem Nigimitama, das Erfolg repräsentiert, oder einem Aramitama, das Misserfolg repräsentiert, führen. Die Serienstruktur folgt eng der Gästeliste, mit bekannten Synchronsprechern wie Takahiro Sakurai, Yuu Kobayashi, Daisuke Kishio, Showtaro Morikubo und Ayumu Murase, die als Forscher auftreten und den Konflikt für jede Episode definieren. Im Laufe von achtunddreißig Episoden schafft der einfache Akt des freien Sprechens ein vielfältiges Erzählgeflecht, das Komödie, Alltagsleben und die unvorhersehbare Energie von Live-Auftritten vereint.