本作首次将高达系列的舞台放到了名为“宇宙纪元”的世界中，在这个时空下，人类分为在地球土生土长的“自然人”以及被称为“调整者”的基因改造人类。故事剧情的主要矛盾冲突由自然人对调整者的能力的嫉妒和憎恶派生，进而产生仇恨，最终几乎所有调整者都移民到了外太空，在由他们自己设计名为P.L.A.N.T.的巨大轨道空间殖民地内，自号为“P.L.A.N.T.”并过着田园诗般的生活。但是地球和P.L.A.N.T.之间最终还是爆发了战争。
地球分为两个主要派系：“地球联合”由大多数自然人国家组成，主要是欧亚联邦和大西洋联邦，以及一个被称为“蓝色宇宙”的自然人至上主义团体，其口号是“为了保护我们的蓝色和纯净的世界”。“地球联合”不是一个统一的联盟，各民族国家之间存在着各种内斗和不信任；第二个主要的地球国家是欧普联合首长国，一个坚定的政治中立和孤立主义国家，位于由世袭君主制统治的小太平洋岛屿上，而且其公民中包含有部分调整者。
在故事开始前，发生了两件大事，其一是被称之为“血之情人节”的悲剧。事件中，隶属于P.L.A.N.T.的一个空间殖民地“尤尼乌斯7号”被地球联合的核弹摧毁；其二是P.L.A.N.T.发起了反击，将中子干扰器深埋在地壳中，使所有的核反应、远程雷达和无线电都被干扰而不能运作，进而导致地球大部分地区没有电力和通信，并使得机动兵器需要依赖可充电电池来驱动。
P.L.A.N.T.是一个技术强国，尽管人口非常少，但是开发了许多新技术使得能够与地球方面相匹敌。而对机动兵器的开发使得他们在战争开始时占尽优势。
故事开始于中立的欧普联合所拥有的太空殖民地赫立奥波利斯，秘密开发了5台先进的机动战士，用于投入地球联合的部队，以换取他们的技术数据与中立的欧普联合军队进行共享。此外，赫立奥波利斯还为地球联合军建造了一艘独特的航母战列舰——“大天使”号作为5台机动战士的母舰。该殖民地遭到调整者军队扎夫特部队的攻击，其目的是窃取新型的机动战士。在扎夫特军入侵期间，一名欧普联合的学生，同时也是调整者的基拉·大和在看到朋友处于危险之中时，驾驶GAT-X05“突击高达”以抵挡入侵者，但在随后的战斗中，殖民地遭到严重破坏。随着赫立奥波利斯的解体，幸存者们登上了“大天使”号，开始了他们前往阿拉斯加地球联合基地的旅程。在前往阿拉斯加的旅程中，基拉驾驶突击高达击退了一系列来自扎夫特军的袭击，但在与他童年好友阿斯兰·萨拉的一次战斗中，双方差一点都被对方击杀。基拉在袭击中幸存下来，并由一名盲人牧师带到一个P.L.A.N.T.太空殖民地，在调整者家中修养。在此期间，大天使号抵达了阿拉斯加，但是扎夫特军对那里发起了全面攻击，压倒性的击退了地球联合部队。
在地球联合即将溃败的时候，基拉驾驶ZGMF-X10A“自由高达”前往阿拉斯加，这是一台搭载有高度先进的核动力和反中子干扰器的扎夫特机动战士，由P.L.A.N.T.最高评议会主席西盖尔·克莱因的调整者女儿、P.L.A.N.T.流行歌星拉克丝·克莱因授意偷走。利用自由高达，基拉结束了扎夫特和地球联合两军之间的战斗，但阿拉斯加基地随后还是被摧毁了。大天使号最终逃亡了中立国欧普联合。最终大天使号和新造舰“草薙”号离开地球进入太空，之后他们与拉克丝·克莱因领导的P.L.A.N.T.反对派和他们窃取的扎夫特军新造战舰“永恒”号（原本用于支援扎夫特军造机动战士用）汇合，共同组成“三舰同盟”以结束自然人与调整者之间战争的共同目标。在冲突中，阿斯兰得知基拉幸存下来并依照命令追捕他以夺回自由高达，与此同时获得了同样强大的原型机动战士ZGMF-X09A“正义高达”。然而，在得知作为P.L.A.N.T.最高评议会激进派领导人的父亲帕特里克·萨拉计划实施种族灭绝之后，阿斯兰抛弃了他的父亲并加入了“三舰同盟”。在最终战斗中，地球联合部队部署了装备有中子干扰器对消技术的核武器，该技术是从自由高达和正义高达动力系统的被盗数据中复制而来的。地球联合部队打算用核武器摧毁P.L.A.N.T.太空殖民地，但被扎夫特的创世纪阻止，这是一种搭载有微波激光器的超级武器，旨在对自然界进行种族灭绝。在三舰同盟的干预下创世纪最终被击毁并结束了战斗。随着和平条约的签署，战争最终结束。
深具历史的艺能事务所“346 Production”旗下有着众多的偶像。
而在那里新近展开了“CINDERELLA PROJECT（灰姑娘计划）”！
度过着普通的每一天的女孩子。
作为未来的偶像被选中的她们，在初次见到的世界中编织出灰姑娘的物语。
大家究竟能否一起沿着通向城堡的台阶向上攀登？
现在，魔法即将开始施展——
第一期
电视动画《偶像大师灰姑娘女孩》第一季是描述 14 位被选拔加入“灰姑娘企划”（Cinderella Project）的少女成为 346 事务所的偶像候补生，经历波折、困难以及磨炼，最后成功出道，踏上舞台成为偶像的故事。
女主角岛村卯月是一位高中女生，梦想成为偶像的她在课余时努力地学习跳舞，锻炼才能等待机会的来临。虽然在346事务所设立的“灰姑娘企划”招募时落选了，其笑容给制作人留下了良好的印象，因此当“灰姑娘企划”出现三个空缺时，制作人首选了岛村卯月。另外两个空缺分别由涩谷凛和本田未央补上，“灰姑娘企划”其他成员也完成集结，正式启动。
岛村卯月、涩谷凛、本田未央三人比其他成员晚加入“灰姑娘企划”中，可是不久便得到前辈偶像给予的一个演出机会，便是当城崎美嘉的伴舞。卯月、凛、未央这三位新人便开始接受舞蹈特训。作为伴舞的演出表现，很快地卯月、凛、未央三人得到正式出道的机会，结成偶像组合推出唱片。同时间，“灰姑娘企划”中的新田美波、安娜斯塔西娅也合组出道。不过这个安排让其他偶像感到焦急，都纷纷希望自己也能及早出道。其中前川未来的行为最为激进，甚至把346事务所的346咖啡室占领了来作抗议。最后让制作人来解释后事件才得以平息。
虽然努力练习唱歌和舞步，让首次正式演出十分成功。可是由于在当城崎美嘉伴舞所看到的声势和场面，和自己演出时的观众人数相比，本田未央得到了很大的打击，甚至曾一度想放弃继续做偶像。
“灰姑娘企划”的其他成员亦陆续获得出道的机会。接着是神崎兰子以个人单独出道，是“灰姑娘企划”中唯一个人出道的。不善于与人沟通的她经过一番转折，透过绘画才能让制作人明白她的心意，并打造出让她十分满意的坠天使造型。三村加奈子、绪方智绘里、双叶杏结成偶像组合出道，还得到唱片签名会和出席电视游戏节的机会。诸星煌梨、赤城米莉亚、城崎莉嘉结成偶像组合出道，获得商品宣传代言的街头演出机会。余下的二人，前川未来、多田李衣菜也结成偶像组合出道，虽然二人的性格大不相同，很难合得来，最后也能化解矛盾。
在346事务所的盛事“Summer Fest”演唱会举行在即之际，各成员也加紧排练。除了要练好自己的歌曲之外，也要兼顾“灰姑娘企划”14位成员的合唱歌曲的排练。由于制作人有要事委托了新田美波负责安排排练和监督，让新田美波承受很大压力和身心疲倦，终在“Summer Fest”演出当日病倒下来。尽管新田美波不能演出自己的歌曲，也支撑著坚持要在合唱的歌曲中和大家一起出场。新田美波的拼劲和精神以及她的领导能力得到各成员的肯定，认同了她的成为“灰姑娘企划”的队长。“Summer Fest”也在各成员的精彩演出下圆满落幕。
第二期
“Summer Fest”之后，“灰姑娘企划”继续顺利地推进。但此时346Pro公司所属公司董事长的孙女美城常务从美国子公司调回日本，担当为偶像项目主管。上任后立即终止了全公司的偶像项目，改变偶像培养方针为以艺术技能为主导。这对本身以各种娱乐性质为主导的各偶像项目和整个日本公司带来极大的震撼。主角群制作人据理力争，希望保持自己以发挥偶像自身特长的路线，最终美城常务不提供任何支援下允许“灰姑娘企划”的运营，并以年期末的演唱会作为是否继续维持项目的考核。也以此作为对其他反对其方针的人的下马威和考验。
之后美城常务从整个公司偶像资源中抽选适合其方针实施的偶像来推行新路线的工作，但大部分偶像不满其方针和培养理念，拒绝其安排的工作，甚至如木村夏树、安部菜菜等偶像选择调入到“灰姑娘企划”中继续工作。
美城常务最终在新组建的项目“Project Krone”中，试图从主角群的“灰姑娘企划”中调走涩谷凛和安娜斯塔西娅到其计划中。安娜斯塔西娅所属组合“LOVE LAICA”的同伴新田美波愿意让安娜加入到新项目，并且表示自己能独立应付，很快就转入到新项目中；但涩谷凛由于新组合有自己的同校同学，希望协助同学作为新人能顺利出道，但又担心影响到其自身原有的“new generations”，本田未央意外听到这个消息，经过考虑决定自行独立出道，最后和涩谷凛、岛村卯月三人相互交流后，仍为这样三人分开出道会更好。最终，“LOVE LAICA”和“new generations”由于人员变动而冻结，“Rosenburg Engel”和“*”增加新成员，卯月和小日向美穗另组新组合，“灰姑娘企划”以如此阵容和作为对抗项目的“Project Krone”一同进入秋季演唱会，接受去留的考验。
在秋季演唱会中，“灰姑娘企划”和“Project Krone”都取得了非常圆满的成果，而且“Project Krone”的鹭泽文香在上场前不适，灰姑娘制作人及时指挥“灰姑娘企划”上场维持气氛，之后在岛村卯月和本田未央的鼓励下，涩谷凛所在的“Traid Primus”也顺利登场演出。秋季演唱会最终顺利落幕。
秋季演唱会后，“灰姑娘企划”成员的知名度大增，但只是不断鼓励别人的岛村卯月反而察觉到自己毫无进展而感到不安，要求回到训练所练习。制作人允许她的要求并让其他组员调整工作岗位，众人期待着卯月的归来，而凛和未央给卯月的鼓励让卯月最终召回勇气，而从自己的角色曲找回了自己的笑容。在年期末演唱会，得到全公司偶像支持的灰姑娘演唱会大获成功，在幕后制作人也向美城常务阐述了每个不同风格的偶像都能找到让粉丝欣赏的亮点，让美城常务彻底折服并认同了制作人的想法。“灰姑娘企划”最终得到保留并继续发展。