《电影少女》讲述的是东京私立贵大高等学校高一年级的中学生弄内洋太追求早川燃美，正当他准备告白时，却发现燃美喜欢的是他的好友同班同学新舞贵志，于是他陷入无奈与失落。一个人走在回到家的路上，洋太的情绪十分低落，自己也不知道怎么就走到了一家名叫GOKURAU的出租录影带的商店前。洋太走过一排排录影带架后，在一盒录影带前停了下来：《安慰——天野爱》。天野爱，16岁，性格温柔开朗……，就借这个吧。神秘的店主不仅没收任何费用，还发给洋太一张联系卡，然后就消失了……

这时，一个神秘的电影少女，小爱竟从录像带中走出来，出现在大受打击的洋太面前！自此，洋太便开始了紧张又温馨的新生活……

小爱因为爱上了洋太被当成是不良品，险些被她的***者收回。但在她和洋太的共同努力下，终于克服困难，回到洋太身边。

小爱终于能回到洋太身边，但她始终压仰不了自己的感情，在对洋太表白了爱意之后，还是被***者强行收回。虽然洋太对小爱仍念念不忘，但也只能继续生活。此时，一直倾慕洋太的学妹，仁崎伸子在他面前出现了，而失忆的小爱又再次回来……

洋太和小爱的关系纠缠不清，加上一次又一次的误会，令伸子的心开始动摇。机缘巧合之下，小爱得知自己是电影少女的事实，更遭到由制造者派来的另一位电影少女——小舞的袭击，令她再次寄住洋太家里。亳不知情的伸子，以为洋太己移情别恋……

几经辛苦，洋太终于赶回东京了，却见不到伸子……。

自暴自弃的洋太，在街上与流氓纠缠起来，幸得一位神秘少女相救，原来这个女孩是夏美，小时候和洋太在一起玩过……。

这时，舞再度在小爱面前出现，并对她送上最后一击……

发生在萌美身上的事，破坏了洋太、萌美和贵志之间的关系，更令洋太决心要对萌美表白。因为一次误会，令一直犹豫不决的萌美决定接受洋太，二人随即开始交往。可是，好不客易才对洋太死心的小爱，竟突然恢复了所有记忆…

在协助洋太完成画图画书的心愿后，眼见洋太和萌美发展顺利的小爱毅然决定离开洋太家，却惊闻自己的再生时间已所剩无多……另一方面，洋太竟在无意中得知让小爱成为人类的条件！而萌美又在这时下定决心要把自己的身体献给洋太……

夏美因为生病去世，令小爱再次主动接触洋太，希望在再生终结之前能和他制造更多美好回忆。另一方面，洋太听从夏美「要坦率面对自己的感情」的请求，竟作出要和萌美分手的决定，却不知道她快要离开日本......

随着小爱再生终结的日子逐渐迫近，洋太终于清楚明白到她才是自己所爱的人。可是，心知自己已无法成为人类的小爱，却成全洋太和萌美而让他服下消除一切记的药......

但洋太克服了药力的作用，最终和小爱走到了一起~~故事也有了圆满的结局~