
Tokiko Mima, surnommée "Key", est une jeune fille de 17 ans vivant dans la campagne japonaise qui, malgré son apparence humaine, est un robot. Quand le grand-père de Key, le Dr Murao Mima, meurt, il lui laisse un message mourant, lui disant qu'elle peut devenir une vraie fille si elle est capable de se faire trente mille amis. Ainsi, Key se déplace de la vallée tranquille de Mamio vers les rues animées de Tokyo, où elle tombe bientôt dans son amie d'enfance Sakura Kuriyagawa. La clé devient rapidement enthousiasmée par la chanteuse d'idols Miho Utsuse et se demande si devenir chanteuse lui permettra de faire la quantité d'amis dont elle a besoin pour devenir humaine. Mais Miho porte un sombre secret : elle est liée à Jinsaku Ajou, une ancienne rivale du Dr Mima qui essaie de faire une nouvelle percée dans l'armement robotique. Comme Key travaille pour devenir une vraie fille, Ajou met un plan dangereux en action, et il s'avère qu'il y a beaucoup plus à Key qu'il ne rencontre l'œil.