Hideki Motosuwa est un étudiant de 19 ans qui habite depuis quelque mois à Tokyo. Ce jeune homme, vient de la campagne mais comme il a échoué à ses examens d'entrée à l'université, il s'est inscrit à des cours de rattrapage dans une école privée pour se préparer à les repasser l'année prochaine. Ses parents ont décidé de lui couper les vivres après son échec à ses examens. Il vit donc dans une pension et travaille dans un bar en dehors de ses cours pour subvenir à ses besoins.

Depuis quelques temps, de nouveaux ordinateurs ont été commercialisés. Non seulement ils sont très performants mais ils ont une forme humaine (femme ou homme) et peuvent accomplir un grand nombre de tâches. Evidemment, ces machines ne sont pas bon marché et donc totalement inaccessibles à Hideki.

Mais un soir, en rentrant chez lui après le travail, Hideki trouve un de ces "appareils" au milieu des poubelles. Il décide donc de l'emporter chez lui étant donné que l'ancien propriétaire a visiblement décidé de s'en débarrasser. Malheureusement, il ne remarque pas qu'il oublie une disquette dans les ordures et rentre chez lui avec son précieux fardeau.

A la pension, il se rend compte que s'occuper de cet ordinateur va être plus compliqué que prévu. Tout d'abord il semble que toute sa mémoire a été effacée et qu'il ne se souvient de rien. La seule chose que sait Hideki c'est que son nom est Chii et qu'il s'agit d'un modèle en forme de jeune femme.

Son meilleur ami tente de l'aider à découvrir l'origine de Chii mais il découvre qu'elle ne fonctionne avec aucun programme de sa connaissance et ne trouve aucune trace de son créateur. Par contre il est évident que Chii est totalement autonome et possède un système d'assimilation. Hideki commence donc petit à petit à apprendre des choses à Chii. Il rencontre aussi quelques problèmes : malgré son origine mécanique, Chii ne peut pas se promener toute nue! Heureusement que la gérante de la pension vient en aide au jeune homme.

Le garçon s'attache de plus en plus à sa précieuse "machine". Mais il reste curieux de connaître l'origine de Chii, surtout depuis que son ami lui a révélé qu'elle recelait une puissance exceptionnelle. Il rencontre alors Minoru, un jeune génie de l'informatique qui va faire de curieuses découvertes concernant l'énigmatique Chii qui cache encore de bien nombreux secrets...