在科技高度发达的未来世界，繁华堕落的马杜克市，醉生梦死，纸醉金迷。受万千宠爱、养尊处优的美丽少女露恩•芭洛特（林原惠美 配音），虽然从赌场经营者榭尔（中井和哉 配音）那里得到一切，但却抑制不住想要探寻自己真实身份的渴望。她的念头似乎触怒了专横的榭尔，因此惹来杀身之祸。危急之时，芭洛特得到犯罪搜查官乌夫库克博士（八岛智人 配音）的救助，并在马杜克紧急法令09的庇护和允许下，拥有了法令禁止的特殊能力。乌夫库克希望借助少女之手，揭露榭尔一系列的罪行。对她来说，这不啻为一次凶险的旅程…… 本片根据冲方丁的科幻小说改编，为“壳中少女”三部曲中的第一部（另两部分别为“燃烧”和“排气”）。

故事舞台发生在架空的城市──日本美空市美空町，除此之外还有魔女世界和魔法堂等，自称为世界上最不幸的美少女的春风DoReMi，一直相信这世界上有魔女，并希望自己成为魔女后可以向喜欢的人表白。有一天放学时，春风DoReMi经过一间名叫新旗山莉卡魔法堂的店铺，进入一探究竟时，碰巧拆穿了当时魔法堂的老板-魔女莉卡具有魔女身份，而导致她变成魔女青蛙。由于只有正式的魔女才可让魔女莉卡恢复原貌，为了帮助魔女莉卡回复原状，DoReMi成为了魔女见习生，并要在见习魔女9个级别(第9级至第1级)的考试中合格，从而取得魔女的象征──自己的水晶球，才能成为正式魔女，期间，初贵，爱子与DoReMi的妹妹泡泡，因为先后知道DoReMi是魔女见习生，为了不让DoReMi也变成魔女青蛙，因此也陆续成为魔女见习生。为了赚取使用魔力所需的魔法珠，所以要时常在魔法堂帮忙，期间也慢慢的参加升级试，在升级试的途中，Doremi等人获得了精灵陪伴。

即将升上四年级的DoReMi、羽月、小爱及音符已经成为好朋友，但同时也失去魔女身份。一天晚上，她们四人回到了魔法堂想见魔女莉卡一面，而在无意间发现魔女莉卡所遗留下来的吹风机(其实是女王变出来，引导DoReMi一行进入魔女界的工具)，因此想借口把吹风机送回给魔女莉卡以重回魔女世界。在女王刻意安排下，她们四人穿过女王的玫瑰花园，并撞见一位魔女婴儿在皇后玫瑰花中诞生（皇后玫瑰花为一百年开一朵的珍贵的玫瑰花，由其中出生魔力特强的魔女将是未来魔女女王的候选人，按规定撞见魔女婴儿诞生者有扶养之义务）。在大部分的魔女持反对意见之下，女王吩咐她们要照顾这魔女婴儿一年，并恢复她们魔女见习生的身份。期间DoReMi等人要接受九次魔女婴儿定期健康检查，若是任一次检查不合格，魔女婴儿就要送回魔女世界。这魔女婴儿后来由DoReMi命名为小花，意思是从花朵诞生的婴儿。在众人的照顾下小花渐渐长大懂事，但其强大的魔力也带给她们不少麻烦。

虽然已经确定成为魔女，但是还是必须等待一段时间才行，这段时间，小魔女们天天在魔法堂里仰首等待来自魔女世界使者的通知。很快地，开学的日子到了！这天，DoReMi的班上来了一个小女孩，这可吓坏了DoReMi和小桃子！因为她竟是小花！小花在魔法幼儿园哩，每天迫不及待想和DoReMi她们一起上学，于是大量使用魔法，把自己变成一个小六学生，而且连魔法堂的样子也改变了！但是小花过量使用魔法下，使得魔女一生只能拥有一个的“魔女水晶球”却破掉了。因此，魔女女王将自己的水晶球敲出六小块，分给小魔女们，让小花也变成魔女见习生，并且必须通过魔女的九级考试。届时，大家才能一同成为魔女…