Tokiko Mima, bijgenaamd 'Key', is een 17-jarig meisje dat op het Japanse platteland woont en, ondanks haar mensachtige uiterlijk, een robot is. Wanneer Key's grootvader, Dr. Murao Mima, overlijdt, laat hij een stervend bericht achter, waarin hij haar vertelt dat ze een echt meisje kan worden als ze dertigduizend vrienden kan maken. Zo verhuist Key van de rustige Mamio Valley naar de drukke straten van Tokio, waar ze al snel haar jeugdvriendin Sakura Kuriyagawa tegenkomt. Key raakt al snel verliefd op idoolzangeres Miho Utsuse en vraagt ​​zich af of ze door zangeres te worden het aantal vrienden kan maken dat nodig is om mens te worden. Maar Miho draagt ​​een onheilspellend geheim met zich mee: ze is verbonden met Jinsaku Ajou, een oude rivaal van Dr. Mima die een nieuwe doorbraak probeert te bewerkstelligen in robotwapens. Terwijl Key probeert een echt meisje te worden, zet Ajou een gevaarlijk plan in werking, en het blijkt dat Key veel meer inhoudt dan op het eerste gezicht lijkt.