Pada tahun 2167, gelombang radiasi yang dilepaskan oleh ledakan supernova dari bintang Hydrus Beta menyebabkan kerusakan kataklismik di Bumi dan menewaskan jutaan orang. Sekarang, di tahun 2356, umat manusia bersatu untuk membangun kembali Bumi sembari bersiap menghadapi gelombang kehancuran kedua dari supernova tersebut. Demi melindungi planet dari ancaman di masa depan, koloni luar angkasa raksasa yang disebut "Foundations" telah dibangun di seluruh Tata Surya. Bertindak sebagai pusat pengetahuan dan penjelajahan, di salah satu Foundation inilah—Stellvia—Shima Katase mendaftar sebagai siswi persiapan meskipun ditentang ibunya, demi mewujudkan impian melihat luar angkasa secara langsung dengan matanya sendiri. Di Stellvia, Katase berlatih untuk menjadi pilot dan berharap terpilih dalam "Great Mission" untuk melindungi Bumi dari gelombang kedua. Meski harus berjuang di kelas pilot dan menghadapi dinamika kehidupan sosialnya yang bergejolak, ia perlahan tumbuh menjadi sosok yang mungkin saja mampu melindungi umat manusia.
Kisah perjuangan Shima-chan di luar angkasa benar-benar membuat sirkuit Yuno-chan berdebar penuh semangat nyaa~ (*´∀`*)