Hideki Motosuwa est un étudiant de 19 ans qui habite depuis quelques mois à Tokyo. Ce jeune homme vient de la campagne mais comme il a échoué à ses examens d'entrée à l'université, il s'est inscrit à des cours de rattrapage dans une école privée pour se préparer à les repasser l'année prochaine. Il vit dans une pension et travaille dans un bar en dehors de ses cours pour subvenir à ses besoins.

Depuis quelques temps, de nouveaux ordinateurs, du nom de "persocom" ont été commercialisés. Non seulement ils sont très performants mais en plus ils ressemblent fortement aux humains, et peuvent accomplir un grand nombre de tâches. Evidemment, ces machines sont excessivement chères et donc totalement inaccessibles à Hideki.

Mais un soir, en rentrant chez lui après le travail, Hideki trouve un de ces "appareils" dans les ordures. Il décide donc de l'emporter chez lui étant donné que l'ancien propriétaire a visiblement décidé de s'en débarrasser. Il ramène donc ce persocom féminin chez lui, très heureux de sa trouvaille.
Cependant, après l'avoir "allumé" (ce qui n'a pas été chose facile car Hideki ne connaît rien en informatique), il se rend compte que s'occuper de cet ordinateur va être plus compliqué que prévu. Tout d'abord il semble que toute la mémoire du persocom a été effacée et qu'elle ne se souvienne de rien. La seule chose que sait dire cette machine est "Chii". Il décide de la nommer ainsi.

Seulement, le jeune étudiant se pose beaucoup de questions sur l'origine de Chii...Son meilleur ami tente de l'aider à le découvrir mais il découvre qu'elle ne fonctionne avec aucun programme de sa connaissance et ne trouve aucune trace de son créateur. En essayant de l'analyser avec son persocom de poche, du nom de Sumomo, cette dernière grille!! Elle a donc une puissance exceptionnelle.

Il rencontre alors Minoru, un jeune génie de l'informatique qui va faire de curieuses découvertes concernant l'énigmatique Chii qui cache encore de nombreux secrets...