Kể từ khi còn là một đứa trẻ, Tomoki Sakurai luôn thức dậy trong nước mắt sau giấc mơ về một thiên thần. Người bạn thời thơ ấu của anh, Sohara Mitsuki, lo lắng về điều này và quyết định tìm kiếm sự giúp đỡ của Eishirou Sugata, một kẻ cuồng bầu trời lập dị. Anh ấy kết luận rằng giấc mơ của Tomoki chắc chắn có liên quan đến cái được gọi là Thế giới mới, một điểm dị thường trôi nổi mà các nhà khoa học đã không thể hiểu được.
Chiêu mộ những thành viên đầu tiên của Câu lạc bộ Khám phá Thế giới Mới, Eishirou sắp xếp thời gian gặp mặt để quan sát bí ẩn trên bầu trời. Ngày hôm đó, cuộc sống yên bình của Tomoki bị thay đổi mãi mãi khi một cô gái lạ từ trên trời rơi xuống và bắt đầu gọi anh là chủ nhân.
Sora no Otoshimono theo dõi các hoạt động hàng ngày của Câu lạc bộ Khám phá Thế giới Mới khi họ bắt đầu tìm hiểu thêm về các Angeloid đã đến Trái đất.