Sora Naegino est une jeune fille japonaise de 16 ans. Elle décide de partir aux Etats-Unis dans le but d'intégrer la prestigieuse troupe du Kaleido Stage. En effet, depuis qu'elle a vu une représentation avec ses parents étant jeune, elle rêve d'en faire partie et de devenir un jour une Kaleido Star. Suite à un incident, elle rate les auditions mais le manager de la troupe, Kalos, lui accorde tout de même sa chance non sans alimenter les jalousies des autres nouvelles recrues. Elle va alors devoir faire ses preuves et démontrer ses talents.

Misaki Suzuhara arrive à Tokyo pour entrer au collège, sa mère étant très prise par son travail, celle-ci va donc habiter chez sa tante. Mais à peine arrivée en ville, qu’elle tombe sur un écran géant retransmettant un duel entre deux combattantes, mais qui sont en réalité de petites poupées guidées par ondes cérébrales. Séduite par le talent du vainqueur en dépit de sa petite taille, Misaki va rapidement se laisser entraîner dans le monde de l’Angelic Layer. 

Asami Onohara est une jeune étudiante de 17 ans avec un secret : elle est mariée à son professeur de physique Kyosuke Ichimaru. Cependant, son mari a l'interdiction d'avoir des rapports sexuels avec Asami avant qu'elle ait fini ses études, mais ceci semble une contrainte difficile à respecter pour la jeune fille. Nous suivons ici l'histoire de ce couple qui parviendra à s'épanouir malgré les obstacles qui lui font face.

À la suite de la troisième guerre mondiale, un conflit à l'échelle mondiale a combattu avec des armes non nucléaires qui ont presque réduit de moitié la population terrestre, la ville-nation de l'Olympe est un phare d'espoir dans un monde de chaos. La métropole utopique est gouvernée par Gaia, une vaste intelligence artificielle et administrée par des humanoïdes génétiquement modifiés connus sous le nom de bioroïdes. Bien que l'Olympus semble être une ville paisible en surface, les conflits raciaux (humains contre bioroïdes contre cyborgs), religieux et politiques se cachent en dessous, menaçant de renverser la paix délicatement équilibrée de cette soi-disant utopie.