《机甲少女 FRAME ARMS GIRL～高高兴兴的幻境～》讲述了普通高中女生小苍某天收到了一个神秘的包裹，里面装着被称为“机甲少女”的完全自律型小型机器人“轰雷”。轰雷并非普通的模型玩具，而是搭载了比人工智能更高级的AS（Artificial Self）智能，拥有人工自我人格的最新型试作机。神奇的是，全世界只有小苍能够启动轰雷。轰雷为了学习战斗信息和人类情感而存在，一切知识都需要从零开始学习。小苍与轰雷的相遇，开启了人类与机甲少女之间充满奇妙与欢乐的日常生活，两人在互动中共同成长，笑声不断。