桃宫莓和青山雅也约会去看世界稀有保护动物展，却被神秘人选中变成了拥有神奇力量的猫女。回到学校后，小莓发现自己拥有一系列西表山猫的特征，便返回动物展寻找真相，不料却遇到巨大的老鼠怪正在袭击青山，着急的小莓在潜意识的指引下，变身成猫女打败老鼠怪解救了青山，并结识了赤坂圭一郎和白金稜。

圭一郎和阿稜将小莓带到他们的作战总部猫猫咖啡馆，并告诉小莓她的使命是与异形怪兽作战，保护地球，同时要求小莓去寻找与她并肩作战的伙伴。当小莓根据阿稜提供的胎记线索寻找作战伙伴时，机器人雅咪警告小莓有异形怪兽出现，变身猫女的小莓与异形怪兽展开作战，并找到了伙伴蓝泽薄荷，两人一起降服了因外星人寄生而变得残暴的米奇。

小莓去学校的路上，撞倒了女孩碧川莴苣，莴苣却一直向小莓赔礼道歉。当小莓回到咖啡馆工作后，听到一群人在谈论学校妖怪的事情，并要求莴苣去拍照拿给她们看，气愤的小莓出手替莴苣教训了她们。随后小莓和薄荷去学校抓妖怪，发现妖怪竟是变身的莴苣，莴苣害怕因自己特殊而交不到朋友，便对薄荷发动攻击，小莓及时说服了莴苣并邀她加入猫猫队。

小莓被奇修强吻后，拒绝了青山的约会邀请，却在外出寻找怪兽时，被雅咪带到与青山约会的动物园并巧遇青山，不管三七二十一的小莓答应了青山的约会。正当两个人在园里玩的开心的时候，奇修放出了异形怪兽，战斗力不强的小莓被异形怪兽按在了爪下，关键时刻薄荷和莴苣及时赶到了，三人合力击败了异形怪兽。

在上学的路上小莓差点被卡车撞到，所幸 “猫能力”令她安然无恙，而这一切被学校的体操队看到，她们说服小莓加入其中。小莓开始跳暴风雨般的新体操，以猫咪之舞成为闪耀之星。但是在比赛的当天，由于奇修捣乱，小莓、薄荷、莴苣三人合力击败了异形怪兽，小莓在战斗中消耗了大量的体力，结果小莓队没有获得比赛的第一名，但是大家依然很感谢小莓。

白金棱举办了一场大型舞会，邀请了旧金山的钢琴家玛丽小姐参加，热闹的舞会即将结束时，奇修出现夺取了玛丽小姐的灵魂并合成异形怪兽，怪兽利用玛丽小姐弹奏的美妙音符作为武器，击败了合力作战的猫猫队，关键时刻，白金想到主意并挡在怪兽面前阻止它，猫猫们趁机击败了异形怪兽。

小莓在公园里遇到了表演杂技的黄步铃，不料却被步铃看到了自己的耳朵和尾巴，步铃感觉很厉害希望小莓能教她，但被小莓拒绝。当小莓回公园寻找步铃时，看到奇修正要夺取步铃的灵魂便上前阻止，奇修放出异形怪兽与赶来的猫猫队作战，不想步铃冲出来挡在猫猫队面前，这时大家发现步铃就是她们寻找的第四个伙伴——布丁猫猫。

莴苣抽中了箱河原公主渡假中心的一日使用卷，猫猫们开心的出发了。一行人在路上遇到了跟青山长得相似，并同样爱护动物的青山田雅相，当青山田为保护动物和施工队发生冲突时，大家才得知渡假中心正在开发中。此时奇修利用青山田的灵魂合成异形怪兽，与猫猫们展开作战最终被击败，而青山田在猫猫队帮助下和自己心爱的水獭相见了。

小莓到薄荷家里挑选约会的衣服时，发现薄荷和哥哥之间关系很冷淡，管家告诉小莓一行人这其中的缘由后，大家决定邀请哥哥去观看薄荷的表演，以缓和两人的关系。表演当天，异形怪兽突然出现，前来观看表演的哥哥替薄荷挡住了怪兽一击，愤怒的薄荷为替哥哥报仇，独自击败了异形怪兽，最终兄妹和好了。

报纸上刊登了一个有耳朵和尾巴的女孩从怪兽爪下救人的事迹，薄荷认出此女孩就是自己的偶像藤原石榴，于是猫猫们决定在试演会上邀请石榴加入，不料石榴冷淡的表示她不需要伙伴。深夜里，猫猫们被召集去支援第五位伙伴——石榴，但石榴却依靠自己的力量打败了异形怪兽，并无情的推开了请求她加入猫猫队的薄荷。

石榴拒绝加入猫猫队的事情令薄荷很难过，为了不让薄荷继续消沉，猫猫们带她来到石榴的握手会，不料莴苣、薄荷和步铃却中计被奇修抓到了异次元空间。为救伙伴小莓追到电视台找石榴帮忙，却看到异形怪兽正在攻击石榴，小莓冲上去挡在石榴面前感动了石榴，二人合力击败异形怪兽，并救出了被关的莴苣等人，至此猫猫队五人到齐。

青山和小莓来到一颗不在花季却开花的樱花树下约会，却不知这是奇修他们用来毁灭地球的五棵树其中之一。白金告诉猫猫队，这些树会散发出毒性很强的污染空气物质，猫猫队必须同时毁掉五棵树，不然东京将被毁灭。猫猫队分配好目标后奔赴到各自战场，于同一时间毁灭了五棵树，但变身猫女的小莓却被青山发现了。

小莓担心青山识破她猫女的身份，所以一直躲着青山，但最终还是决定去看青山的剑道比赛。比赛当天，奇修因为嫉恨小莓喜欢青山，决定用异形变形虫将青山解决，但担心身份暴露的小莓，最终选择变身猫女解救青山。当小莓跳进异形变形虫体内握住青山手时，奇迹光芒出现，并帮助小莓击败了怪兽，而被救的青山并没有认出小莓就是猫女。

小莓在公园里遇到了研究蝴蝶的仁科丽，得知她是圭一郎的前女友，而此时的圭一郎正在为小丽悉心做一个生日蛋糕。阿稜将圭一郎和小丽的事情告诉小莓后，小莓决定促使两个人相见。就在这时，蛋塔和阿派夺取了小丽的灵魂合成异形怪兽，猫猫队合力击败异形怪兽，拿回了小丽的灵魂，但小丽和圭一郎二人并没有恢复恋爱关系。

猫猫队在和异形怪兽作战时，雅咪被怪兽吸进肚子并带回了外星人基地，阿派为得到有用的情报，对雅咪进行了酷刑拷问，但勇敢的雅咪没有向他透露任何情报。之后猫猫队根据雅咪发出的求救信号，来到外星人基地，但因战斗力不敌异形怪兽而陷入绝境，护主心切的雅咪突然战斗力升级，帮助猫猫队击败了怪兽，同时小莓也发现自己的战斗力变强了。

莴苣喜欢上一个叫江户紫典宏的男孩，为和男孩相遇莴苣经常去图书馆看书。一天，当莴苣带着爱心便当到图书馆准备向男孩表白的时候，阿派带着吃书的异形怪兽出现，并将图书毁坏，混乱中莴苣看到男孩着急保护一个女孩，明白原来自己是单相思，但莴苣并不后悔自己的单恋，她和赶来的猫猫队一起击败了异形怪兽。

根据雅咪带回的资料，白金分析得知异形怪兽的操纵者竟是古代地球人的后裔。这时奇修他们计划着将猫猫队力量分散，然后逐个击败她们，果然猫猫队中计。莴苣和布丁对战一路异形怪兽，薄荷对战一路异形怪兽，而小莓因为感冒战斗力几乎为零，正当奇修要将小莓抓走的时候，神秘的蓝骑士出现了。

薄荷势单力薄不敌大群异形怪兽的攻击，幸好石榴及时赶到帮助薄荷击败了异形怪兽，随后二人一起前去支援莴苣和布丁。当大家合力消灭完怪兽，赶来支援小莓时，却发现小莓已经被神秘的蓝骑士解救，大家纷纷认定蓝骑士就是白金，却被白金否定，之后小莓发现自己在和青山约会时，竟然会想到白金，内心感到非常不安。

猫猫队一起去白金的海边别墅渡假时，发现莴苣竟然不会游泳，而莴苣遇到了同样不会游泳的小孩海豚，为鼓励海豚有勇气学游泳，莴苣决定亲自教她，不想差点丢了性命。第二天，大家在海边玩的很开心时，异形兽突然出现包围了猫猫队，莴苣为了救掉进海里的海豚，不顾一切的跳进大海，在自信心的催使下，莴苣竟然化身成人鱼抱着海豚从海里跃出。

步铃生病时，小莓一行人得知步铃妈妈已经去世，而爸爸也经常不在家，步铃一个人要照顾弟弟妹妹很是辛苦，于是猫猫们决定搬到步铃家住，并在她痊愈前替她照顾好弟弟妹妹。一天，妹妹小依的老师将步铃送到家时，蛋塔夺取了老师的灵魂合成异形怪兽攻击步铃，关键时刻猫猫队赶到击败了异形怪兽。痊愈后的步铃抱着老师，哭着说她想妈妈了……

薄荷因为无法忍受小莓平日的作战态度，和小莓发生了争执，气愤的薄荷觉得，单靠猫猫队的力量根本保护不了地球，于是选择退出。前去劝解薄荷回归的石榴，在遭到拒绝后假意攻击米奇，而拼命保护米奇的薄荷被石榴的话语点醒，终于觉悟选择回归。随后二人一起前去支援正在战斗中的队员，大家合力击败了异形怪兽，最后小莓和薄荷又恢复了之前友好的关系。

暑假最后一天，小莓发现自己的暑假作业全都没有做完，着急的小莓想到借朋友的抄、让雅咪帮忙、向咖啡馆的伙伴求救，但都没有结果。这时负责寻找猫猫水晶石的蛋塔放出了蝉异形怪兽，着急回家写作业的小莓快速解决了怪兽，不料蛋塔为阻止小莓写完作业，故意放走了几十只蝉异形怪兽，小莓悲催的感觉到，作业恐怕完不成了……

小惠喜欢上了白金，为他做了份爱心便当；美娃喜欢上了圭一郎，为他写了一首诗，当二人来到猫猫咖啡馆准备将各自的礼物送出时，白金和圭一郎却因为要搜集猫猫水晶石的资料，着急离开了。失落的小惠和美娃在公园被奇修夺取灵魂合成异形怪兽，并攻击在此处搜集资料的白金、圭一郎二人，小莓及时变身猫女击败异形怪兽救了大家，醒过来的小惠和美娃发现……

小莓作为石榴的临时跟班去参加时尚珠宝新作发表会，在后台，小莓遇到了极力向上司推荐彩虹石，却屡遭拒绝的月子。这边，白金利用设备锁定分析彩虹石很可能就是猫猫水晶石，不料奇修一伙人也得知这个消息赶来抢夺彩虹石，双方在进行激烈战斗时，阿派发现彩虹石并非猫猫水晶石便带队撤离。在发表会的高潮时刻，月子配戴着彩虹石出现在舞台上，惊艳了众人的双眼。

圭一郎在地图上向猫猫队指出水晶石所处位置的大概范围后，猫猫队成员开始努力寻找水晶石的下落。这边，奇修一行人派出大量异形怪兽掘地寻找水晶石，同时悄悄在东京铁塔顶端安放了一个含有大量毒物的茧，路过铁塔的雅咪发现茧后，以为是个鸟巢就离开了，但它无意中从茧上沾的东西，被圭一郎发现并分析后，圭一郎通知正在寻找水晶石的猫猫队，立即赶往东京铁塔。

猫猫队赶到东京铁塔时，没想到奇修已经在那等候，奇修阻止了猫猫队的行动，使得茧羽化成异形怪兽，为阻拦异形怪兽喷发污染物质，猫猫队合力作战却依然无法将其击败。顽强抗击怪兽的小莓，想到将无法赴青山的约会，伤心落了泪，不想这时身体竟然发出强烈的光——是猫猫水晶石的力量！借助水晶石的力量，猫猫队合力击败了异形怪兽。

小莓赶到约会地点后，以为青山已经离开了，心里非常难过，不想这时却借助灯光，看到了在大雨里一直等待的青山，青山看到小莓后，走过来抱住小莓，并深情的向小莓告白，两个人甜蜜的依偎在一起。当小莓带着青山到猫猫咖啡馆做客时，奇修一伙人来争夺猫猫水晶石，为方便作战白金使手段让青山睡着了。等到奇修一伙人离开后，准备偷吻青山的小莓，发现自己竟然变成了猫！

变成猫的小莓，不敢回家也不敢回猫猫咖啡馆，就在大街上到处游荡，不料途中被一只大肥猫缠上。小莓在拼命逃脱时，无意来到了青山家门口，恰巧回家的青山发现后，将它带回了家。就在小莓打算偷吻熟睡中的青山时，发现只要她亲吻人或者动物就能恢复人形，而想到以后再也不能亲吻青山，小莓伤心的离开了。

小莓外出时在地铁遇到了野猫阿沙，发现自己竟然听得懂猫说话，随后阿沙来到猫猫咖啡馆，拜托小莓帮他找自己的女朋友贾桂林。当猫猫队发现贾桂林将要参加相亲会时，将阿沙化妆成紫丁香斑猫赶去参加，这时异形怪兽出现，阿沙为保护贾桂林受了伤，贾桂林的主人被阿沙感动，同意让它们在一起。

小莓觉得青山最近对自己很冷淡，于是找到用水晶球占卜的万里子给自己占卜，无意中小莓发现万里子喜欢俊介却不敢表白，于是决定帮助万里子。当小莓和万里子跟踪俊介来到公园时，遇到了前来夺取水晶球的奇修，俊介为保护万里子被奇修夺走了灵魂，猫猫队及时赶来帮助小莓打败异形怪兽，并取回了俊介的灵魂，醒过来的俊介此时向万里子表明了心意。

小莓的爸爸慎太郎发现小莓有男朋友后，显得非常气愤，拼命阻止小莓和青山约会。最后无计可施的慎太郎找到青山，希望他能跟小莓一刀两断，但被青山拒绝，于是两人约好比剑一决胜负。比赛当天，慎太郎的剑快要击到青山时，小莓赶来阻止了慎太郎，这一幕让慎太郎回想起当年他和岳父比剑时，小莓妈妈为他挡剑的情景，深有感触的慎太郎终于同意小莓和青山在一起了。

蓝泽薄荷邀请猫猫队去参加她家的茶会，在茶会上，大家遇到了大小姐西园寺加奈，加奈一直吵着说薄荷是她的竞争对手，这让猫猫们感到非常不解。原来，加奈觉得同样是大小姐的薄荷，却拥有她用钱买不到的东西，心里很是不服，决定挑战薄荷，与她展开一场千金大小姐的对决。这时异形怪兽出现来捣乱，被猫猫队合力打败，作战完毕后的大家一起邀请加奈喝茶，加奈似乎懂得了人要敞开心扉，才能获得比金钱更重要的东西。

步铃爸爸派龙月饼来到日本，希望能与步铃订婚约，但步铃拒绝了月饼。月饼不仅给弟弟妹妹做饭，还到幼稚园接小依，步铃的弟弟妹妹都很喜欢月饼，可是月饼无意中弄坏了步铃和妈妈的照片，步铃非常生气，不再理会月饼。这时阿派用宝来球困住步铃，并将捆绑着的步铃扔给异形怪兽做沙包，月饼赶来救了步铃，自己却受了伤。为了更好地保护步铃，月饼决定回国继续练习武功。

猫猫咖啡馆举办了慈善跳骚市场，莴苣带来自己缝制的娃娃出售，没想到娃娃非常受欢迎，并得到娃娃作家上村绫乃的称赞，绫乃邀请莴苣一起制作参加娃娃新作发表会的娃娃。发表会当天，绫乃将莴苣设计的娃娃作为自己的作品供人们欣赏，小莓一行人发现后非常气愤，但莴苣却选择原谅绫乃，并说还会和她一起制作娃娃。

安亲班的小佳是石榴的小影迷，她的爸爸妈妈因为忙于工作，经常不能陪她，小佳非常孤单，石榴在看到小佳一个人不吃饭时，过去安慰小佳并陪她一起过生日。第二天，小佳的爸爸送给小佳一颗漂亮的石头做生日礼物，奇修认为那是猫猫水晶石便去抢夺，石榴发现后生气的将奇修击败，这时小佳的爸爸妈妈赶来参加安亲班的远足，一家人幸福的抱在了一起。

变成猫的小莓为恢复人形，在亲吻一只母狗时被公狗攻击，这时阿鲁特出现将小莓救走，小莓发现阿鲁特竟然是白金。之后圭一郎告诉小莓，白金的父母因异形怪兽而死，为完成父亲的研究，白金和圭一郎回到日本并启动猫猫计划，白金考虑到猫猫队的安全，用自己身体先做试验，之后白金发现自己可以随心意变成猫。

耶诞节就要到了，猫猫咖啡馆的成员都在积极地为节日做准备，而小莓计划着跟青山在耶诞节约会，可是想到还没对青山说明自己的真实情况，小莓心里感觉很内疚。约会当天，奇修一伙人出现在会场搞破坏，小莓及时赶过去和他们对抗，没想到战斗时，小莓的身体和水晶石发生反应，真正的水晶石出现了！

猫猫队为保护水晶石，令步铃用布丁将水晶石封住，不想却中了奇修他们设计的圈套。为阻止水晶石爆炸破坏地球，猫猫队齐心合力围住水晶石，将爆炸范围缩小在她们之间，可是爆炸飞落的水晶石碎片击中了青山，青山当场昏迷。难过的小莓告诉昏迷中的青山，自己拥有猫女的身份，不料青山却说他早已经了解，于是两个人甜蜜的依在一起看雪景。

小莓和青山约会完正要离开，蛋塔出现并利用异形怪兽将小莓催眠，猫猫队的其他成员在不知情的情况下，被异形怪兽吸到小莓的梦里。蛋塔告诉其他成员，如果小莓不醒来，她们将永远走不出小莓的梦境。就在猫猫队在梦境里快被异形怪兽消灭时，奇修用强烈的感情将小莓唤醒，猫猫队乘机击败了异形怪兽。

步铃去巨蛋观看绝技公演时，发现蛋塔在巨蛋下面挖了很深的坑，故意使巨蛋塌陷，为阻止这一切，步铃和异形怪兽作战却被塌下来的土掩埋，这时蛋塔将她从土里拉出来。此时在外面支撑巨蛋的猫猫队，明显感到体力不支，千钧一发时大家发现，地下长出了很多大树并将巨蛋支起，随后蛋塔抱着步铃从巨蛋底下越出，难道两个人成为朋友了么？

阿派一行人为使猫猫队注意力分散，在海上放出大量异形怪兽，希望能给他们精心培养的异形怪兽争取成长的时间，猫猫队得知这一消息后，派白金和莴苣前去侦查情况，其他成员负责对付大量的异形怪兽。不料异形怪兽孵化完成并成功攻击白金和莴苣，二人掉进海里，莴苣救人心切，和猫猫水晶石发生反应，并以人鱼的形象从海里跃出，猫猫队借助水晶石的力量，合力击败了异形怪兽。

报纸上刊登出石榴要去美国的消息，猫猫队的成员纷纷表示不相信。就在大家分头寻找猫猫水晶石的时候，阿派一伙人出现并选择攻击石榴，石榴竟然不变身猫女作战，幸好其他队友及时赶来，击败异形怪兽解救了石榴。第二天，猫猫队集合时石榴没有出现，小莓不相信石榴真的要离开猫猫队，决定带着大家一起去找石榴。

野鸟带着猫猫水晶石向薄荷求救，却遭到薄荷的拒绝，因为薄荷觉得，石榴离开后猫猫队不可能战胜敌人。随后愤怒的薄荷和石榴展开对决，不想阿派一伙人赶来捣乱，看到野鸟们即将被敌人制造的龙卷风卷走，情绪激动的薄荷和水晶石发生反应，成功将野鸟们拯救。这时石榴告诉薄荷，她希望大家不要相信外面的谣言，她是不会离开猫猫队的。

原宿突然被树海包围，猫猫队得知后前去侦查，不想在树海中遇到了阿派和蛋塔，双方展开了一场激烈的战斗。战斗中猫猫队突然感觉呼吸困难，无法继续做战，幸好白金及时赶来并给她们服下特殊糖果，大家呼吸恢复正常，此时蓝骑士出现来保护小莓，之前一直疑惑的小莓终于清楚，白金和蓝骑士不是同一个人。

西洋情人节快到了，小莓决定送给青山自己亲手做的巧克力。赴约的路上，小莓遇到奇修，奇修告诉小莓他非常喜欢小莓，并希望小莓能跟他在一起，但是小莓拒绝了他。恼怒的奇修对小莓发动攻击，此时青山化身蓝骑士出现保护小莓，当看到小莓不顾一切的保护蓝骑士时，奇修无奈的选择了离开。

猫猫队邀请青山加入她们的作战队伍，犹豫的青山最终答应了。这边，隅田川出现发光现象，猫猫队得令出动侦查，阿派他们认为是水晶石的影响也赶过来，双方相遇后展开了激烈的战斗。猫猫队发现阿派一伙人的能力与之前相比明显增加，她们不敌对方而即将输掉战斗，这时，蓝骑士和小莓非常默契的合作，最终将敌人击败。

蓝影者命令阿派一行人将蓝骑士消灭，随后阿派经过一番研究，发现蓝骑士的弱点就是小莓。阿派用小莓的生命威胁蓝骑士扔掉手中的剑，并对其展开猛烈的攻击，小莓看到蓝骑士身体快要支撑不住时，着急的她突然爆发出异常的能量击败了异形怪兽，并解救了猫猫队友和蓝骑士。

奇修为确认蓝骑士的真实身份，设计了陷阱将猫猫队引入异次元空间，猫猫队被分离在异次元空间不能作战。这边，奇修找到青山并狠狠的折磨他，小莓听到青山的呼唤后，两人心电感应进入同一个空间，奇修见状故意拿小莓刺激青山，没想到青山变身蓝骑士，爆发了非常可怕的力量将异次元空间摧毁，猫猫队又重新团聚了。

奇修决定夺取蓝骑士的能量去拯救母星，于是放出了很多异形怪兽去分散猫猫队的注意力，原本休假一天的猫猫队在得到召唤后，立即进入作战状态，此时白金识破了敌人的计划，告诉猫猫队速去寻找青山。这边，奇修夺取青山的灵魂时，发现青山的灵魂竟然拿不出来，而赶来支援的猫猫队发现，青山竟然变身成了蓝影者……

阿派告诉猫猫队，青山、蓝骑士、蓝影者是三位合体的同一个人，伤心的小莓不相信青山会成为蓝影者，看着队友们和蓝影者作战，小莓感到非常茫然，这时蓝影者对小莓发动攻击，大家为保护小莓被蓝影者打回了人形，难过的小莓终于觉醒对抗蓝影者。这时白金赶来，拿出自己的水晶石帮大家变身，猫猫队齐心协力，合力抗战蓝影者。

赤坂圭一郎发现最后一块猫猫水晶石就在蓝隐者的要塞里。而蛋挞决定与东京猫猫队成为好朋友，不想再与她们打斗下去了。蛋挞被阿派击败，陷入了沉睡。小莓猫猫成功潜入要塞，与蓝隐者展开决战。阿派也身负重伤，与莴苣猫猫展开了关于战争的争辩。奇修为了小莓猫猫，背叛革命，被蓝隐者反击击败，身中重伤。

小莓猫猫拼死一战，与蓝隐者展开终极的决战，后来奇修的背叛给了小莓猫猫勇气，青山的再次出现给了她希望与信心，后来吗，在青山的帮助下，小莓猫猫勇敢的向蓝隐者发起最后的挑战，蓝隐者被青山死死抓住，无法动弹。最后与青山同归于尽。小莓猫猫为了救青山，奉献了自己的全部力量，解除了西边山猫的封印，变回来正常的女生，同时，小莓也陷入了昏迷。其他人在阿派、蛋挞的帮助下与奇修、小莓和青山等人团聚。所有人在猫猫水晶石的作用下恢复成普通的女生。东京猫猫队保卫地球的努力，也让奇修等人明白了一件事情，那就是母星的未来需要靠自己的双手去努力，去创造。小莓最后也醒来了，众人一起迎接美好的明天，青山和小莓永远在一起了。一周后，她们再次来到猫猫咖啡厅，白金棱和赤坂圭一郎告诉众人，地球再次面临危机，有一个比蓝隐者还要强大的角色要进攻地球，她们上次失去变身是因为猫猫水晶石的作用暂时失去了变身的能力，如今药效已过，她们再次恢复了变身的能力。东京猫猫队再次集结，准备出动，去迎接新的敌人以及创建美好的未来......