"Sky Girls TV" spielt in einer alternativen Zukunft, in der die Menschheit von mysteriösen, mechanischen Wesen namens WORM bedroht wird. Diese feindlichen Einheiten tauchten erstmals im Jahr 2064 auf und führten zu massiven Zerstörungen und Verlusten. Um dieser Bedrohung entgegenzutreten, entwickelte die Menschheit fortschrittliche Waffen, darunter die sogenannten "Sonic Diver", spezielle Kampfanzüge, die von jungen Mädchen gesteuert werden können. Diese Mädchen, bekannt als die "Sky Girls", sind aufgrund ihrer körperlichen und mentalen Fähigkeiten besonders geeignet, die Sonic Diver zu kontrollieren.

Die Handlung konzentriert sich auf drei Hauptcharaktere: Eika Ichijo, Otoha Sakurano und Karen Shishidou. Eika ist eine ehemalige Kampfpilotin, die nach einem tragischen Vorfall ihre Karriere beendete, aber durch die WORM-Bedrohung zurückkehrt. Otoha ist eine junge, enthusiastische Schülerin, die sich freiwillig meldet, um gegen die WORM zu kämpfen, während Karen, eine ruhige und analytische Persönlichkeit, aufgrund ihrer technischen Fähigkeiten rekrutiert wird. Zusammen bilden sie das Team der Sky Girls und werden in einer speziellen Einheit namens "Sonic Diver Squadron" ausgebildet.

Die Serie folgt den Sky Girls bei ihrer Ausbildung, ihren Kämpfen gegen die WORM und ihren persönlichen Entwicklungen. Dabei werden Themen wie Teamarbeit, Verantwortung und die psychologischen Auswirkungen des Krieges behandelt. Die Mädchen müssen nicht nur lernen, ihre Maschinen zu beherrschen, sondern auch mit ihren eigenen Ängsten und Traumata umzugehen. Im Laufe der Serie wird deutlich, dass die WORM nicht nur eine physische Bedrohung darstellen, sondern auch tiefere Geheimnisse bergen, die die Zukunft der Menschheit beeinflussen könnten.

Die Handlung verbindet Action, Science-Fiction und emotionale Momente, wobei die Charaktere im Mittelpunkt stehen. Ihre Beziehungen zueinander und ihre individuellen Hintergründe werden detailliert entwickelt, während sie gemeinsam gegen die WORM kämpfen und versuchen, die Welt zu retten. Die Serie bietet eine Mischung aus intensiven Kampfszenen und ruhigeren, charakterorientierten Episoden, die die Komplexität der Figuren und ihrer Mission verdeutlichen.