Situé dans un monde semblable à celui de la Terre dans le milieu du XX^e siècle, Strike Witches raconte l'histoire d'une lutte pour la sauvegarde du monde, contre un dangereux ennemi nommé les Neuroi. Celui-ci a entamé une invasion d'une ampleur sans précédent sur les territoires de l'Europe, en 1939.

Cette force ennemie énigmatique est apparue fréquemment et sans préavis, de nombreux fois à travers le monde et à travers l'histoire. Les armes des Neurois utilisent la diffusion d'un miasme corrosif : non seulement les humains normaux n'ont aucune défense contre ce miasme, mais le reste des terres touchées par celui-ci est utilisé par les Neurois comme nouvelle arme ; comme ce miasme semble incapable de se propager à travers de grandes étendues d'eau, celles-ci furent désignées comme domaines pour les principales lignes de défense.

Pour protéger le monde de cette menace, les forces alliées furent obligées d'établir une nouvelle stratégie, car aucune arme conventionnelle n'arrivait à vaincre une de ces entités. C'est ainsi que naquirent les Strike Witches. Les jeunes femmes ayant un potentiel magique élevé, plus communément appelées Sorcières (Witches), furent recrutées dans les forces armées du monde pour lutter contre cet énigmatique adversaire. Afin d'exploiter au maximum leur potentiel lors des batailles, chaque membre d'un escadron de Sorcières utilise une machine unique fixée sur ses jambes : l'Unité Striker (Striker Unit). En effet, grâce à cet appareil, les Sorcières acquièrent la capacité de voler et leur potentiel magique est exploité de sorte qu'il leur donne la force d'utiliser des armes beaucoup trop lourdes et puissantes pour une personne normale ; elles peuvent également, grâce à cette unité, créer un bouclier pour se protéger des miasmes des Neurois, mais également des armes à projectiles classiques.

Tout cela fait d'elles le premier atout de l'humanité dans cette guerre. C'est en particulier le cas de la 501^e « Joint Fighter Wing », un escadron d'élite assigné à la protection de plusieurs régions au cours de leurs missions. C'est sur cet escadron que l'anime se centre.