Ichika Orimura se voit intégrer la prestigieuse école IS après qu'il a réveillé une armure par accident. Il devient ainsi le premier homme sur Terre à maîtriser un IS, ce qui fait de lui la nouvelle coqueluche de toutes les lycéennes. Le jeune homme est quelque peu déstabilisé par cet entourage uniquement féminin : sa sœur, ancienne championne du monde, comme professeur principal, son amie d'enfance, Hôki Shinonono, et leurs retouvailles difficiles, et un défi, dès le premier jour, imposé par la très talentueuse et très noble Cécilia Alcott, qui souhaite devenir déléguée de classe.

Un match est organisé pour départager Ichika et Cécilia au poste de délégué. Ichika se voit attribuer une armure personnelle, fait très rare étant donné qu'il n'en existe que quatre cent soixante-sept dans le monde, toutes créées par la sœur de Hôki, Tabane, portée disparue. Jalouse de l'attention que toutes les filles portent à Ichika, Hôki accepte de l'entraîner elle-même pour le match contre Cécilia.

Ichika est encore loin de maîtriser Byakushiki, mais Cécilia, développant des sentiments pour lui, décide de lui laisser la place de délégué. Ichika apprend qu'il doit affronter l'exubérante et effrontée Lingyin, une autre amie d'enfance, qui commence à dangereusement empiéter sur les territoires de Hôki et Cécilia.

Le combat entre Ichika et Lingyin est à son apogée quand il est interrompu par un IS non identifié qui commence à les attaquer sans raison. Ils décident de rester pour le combattre au lieu de fuir, pendant que l'arène est évacuée. Ichika découvre alors que l'ennemi n'est qu'une machine sans pilote.

Maya informe Hôki qu'elle va devoir changer de chambre. La jeune femme fait alors promettre à son ami que si elle gagne le tournoi interclasses, il devra sortir avec elle. Malheureusement, le bouche à oreille fonctionne mal et toutes les lycéennes sont persuadées que la gagnante, quelle qu'elle soit, aura un rendez-vous avec Ichika. La rumeur est éclipsée par l'arrivée d'un nouveau garçon, Charles, très efféminé, dont le père est le patron d'une entreprise française fabriquant des IS. Cependant, Charles ne sera pas le seul nouvel élève à intégrer la classe d'Ichika.

Ichika découvre qu'il est plus intéressant de s'entraîner avec Charles plutôt qu'avec les filles qui se battent sans arrêt. Les deux sont rapidement défiés par la nouvelle arrivée, Laura Bodewig, qui a giflé Ichika dès son entrée à l'école. Ichika découvre qu'elle était une élève de sa sœur quand celle-ci travaillait pour l'armée allemande. En rentrant dans la salle de bain, il découvre également que Charles n'est pas celui qu'il prétendait être.

Consciente de son faible niveau, Hôki est stressée par le fait que la gagnante du tournoi aura un rencard avec Ichika. Pendant ce temps, alors que Cécilia et Lingyin se défiaient, elles sont toutes deux attaquées par Laura, qui les massacre sans ménagement. Voyant que leurs vies sont en danger, Ichika et Charlotte rejoignent le combat. Chifuyu les interrompt à temps, annonçant qu'ils règleront leurs comptes durant le tournoi. Ichika apprend par la suite que les matchs de ce dernier se feront finalement en deux contre deux.

Le tournoi débute et Hôki comprend rapidement que ce sera du trois contre un. En effet, elle doit, d'un côté, affronter Ichika et Charlotte et, de l'autre, faire équipe avec Laura. Elle se retrouve très vite acculée, laissant Laura faire face aux deux autres. Alors qu'elle est dépassée, son IS devient fou et se transforme, guidé par sa haine pour Ichika. Ce dernier, à bout de forces, décide de l'affronter seul.

Malgré ses réticences, Hôki se voit obligée de prendre contact avec sa sœur. Celle-ci lui annonce qu'elle prépare un IS spécialement pour elle, Akatsubaki. Ichika est harcelé par Laura, qui dit le considérer comme « sa femme ». Charlotte et lui, évidemment épiés par Cécilia, Lingyin et Laura, partent acheter des maillots pour la séance de baignade de la classe. Une fois arrivés sur la plage, toutes les filles cherchent à attirer l'attention du jeune homme, exceptée Hôki, absente.

Après un repas tous ensemble, les filles se font surprendre par Chifuyu alors qu'elles l'espionnaient en train de se faire masser. L'enseignante leur donne alors un conseil pour gagner le cœur de son frère. Le lendemain, l'excentrique Tabane Shinonono décide de faire son grand retour pour l'anniversaire de Hôki. Elle lui présente Akatsubaki, première armure de quatrième génération. Les essais sont cependant interrompus par l'attaque imminente de Silver Gospel, un IS sans pilote dont les armées américaines et israéliennes ont perdu le contrôle.

Alors qu'Ichika et Hôki sont envoyés combattre Silver Gospel, Chifuyu prévient son frère de l'attitude un peu trop heureuse de la jeune femme. Lors de l'affrontement, Ichika se rend compte qu'un bateau de trafiquants navigue trop près d'eux et qu'ils pourraient être touchés. Il se dispute avec Hôki quant au fait de les sauver ou non, offrant une ouverture à Silver Gospel. Voulant protéger Hôki, négligente, Ichika se retrouve grièvement blessé.

Défiant les ordres de Chifuyu, les filles partent combattre Silver Gospel, alors qu'Ichika, toujours inconscient, rencontre un mystérieux guerrier dans un rêve. Hôki réussit à couper un bras de l'ennemi, mais celui-ci réapparaît sous une nouvelle forme, la repoussant. Ichika, enfin éveillé, la rejoint et lui prouve qu'il n'a pas oublié son anniversaire en lui offrant enfin son cadeau. Il se mêle alors lui aussi à la bataille finale contre Silver Gospel.

Vidéo musicale incluse dans le coffret Bluray de la saison 2. Contient à la fois des séquences de concert et des scènes de l'anime.

Ce sont les vacances d'été, et Charlotte, Hôki, Cecilia, Laura et Ling-Yin ont toutes eu la même idée : rendre visite à Ichika. Cela aura pour conséquence de rendre la journée assez mouvementée. Quelque temps plus tard, Ichika se rend au festival du temple Shinonono, y voit Hôki et passera finalement la soirée en sa compagnie.

Ichika a eu un rêve prophétique impliquant toutes les filles combattant à nouveau un ennemi imparable. Plus tard, Laura et Charlotte vont faire des emplettes de vêtements en vue de leur rendez-vous avec Ichika… auquel tout le monde est invité !

Ichika est peut-être douée pour se battre, mais la nouvelle présidente du conseil étudiant voit un défaut en lui et elle a l'intention de le réparer.

Un jeu tordu de Cendrillon devient mortellement sérieux, et Ichika se retrouve une fois de plus au caprice de 5 belles femmes.

La femme mystérieuse se révèle être Arachne, et elle est après l'IS d'Ichika. Un nouvel ennemi se révèle, et il est peut-être trop puissant pour que les filles le gèrent.

Une version plus longue du premier épisode de la saison 2.

Ichika est obligée d'être la seule juge d'une Maiden Battle, où les filles essaient à tour de rôle de lui rendre le meilleur "service" possible.

L'IS d'Ichika fonctionne mal, alors pendant qu'il est absent pour des réparations, Charlotte a accepté de le protéger.

Ichika doit choisir un partenaire pour le prochain tournoi. Naturellement, toutes les filles pensent que ce sera elle qui sera choisie.

Les filles découvrent qui Ichika a choisi pour le tournoi de tag et ne sont pas trop heureuses, les laissant s'entraîner comme elles ne s'étaient jamais entraînées auparavant.

Un raid soudain de 5 unités anti-IS envoie Ichika et les filles en chute libre. Pendant le combat, Tatenashi tombe inconscient.

Au milieu des spéculations sur la façon d'améliorer leur IS, Cecilia se rend chez chacun de ses amis à la recherche du déjeuner bento parfait pour Ichika.

La classe IS part en excursion tranquille avec les filles en lice pour attirer l'attention d'Ichika. En partant, la classe est attaquée à ses différents endroits par Phantom Task.

Alors qu'Ichika combat le Black Knight IS de Madoka, Tatenashi engage Squall au sommet d'un gratte-ciel. Pendant ce temps, Chifuyu et ses élèves se retrouvent piégés dans un monorail contenant une bombe à retardement.

Un programme appelé "World Purge" envoie aux filles des illusions qui représentent tous leurs fantasmes.

Picture drama inclus dans le coffret Blu-ray IS : Infinite Stratos 2.