Mai-HiME nous raconte l'histoire de Mai Tokiha, une jeune fille de quinze ans (née un 22 juillet) se voyant conviée à la prestigieuse académie Fūka. Titulaire d’une bourse d’étude accordée dans de mystérieuses circonstances, Mai se retrouve emportée malgré elle dans une lutte dont elle ignorait jusqu’alors l'existence et la finalité.

Aidée, et parfois trahie par ses nouvelles amies, troublée par certains et toujours inquiète pour la santé fragile de son jeune frère Takumi, la jeune héroïne réalise progressivement que sa présence au sein de la communauté des HiME n’est pas le jeu du hasard.

En effet, Mai se révèle être une HiME (Highly-advanced Materializing Equipment), c'est-à-dire une personne capable de matérialiser des objets qui n'existent préalablement pas. De ce fait, Mai est capable de créer des rayons et des boules de feu à la portée destructrice. Elle peut également invoquer son enfant (Child dans la version originale) Kagutsuchi, qui met généralement un terme au combat.

Durant l'épisode 25, Natsuki Kuga dit à ce propos : « Child. Un être anormal né de l’affection que l’on porte à celui qu’on aime. Plus l’affection est forte, plus le Child l’est aussi. »

Il existe douze autres HiME qui, au fil des épisodes, révèlent à leur tour leurs capacités.

Dans un avenir proche, lors de recherches sur un site babylonien, Delphius, un scientifique va commettre un acte terroriste en déclenchant un pouvoir inconnu jusqu'alors. Ce qu'on appellera "Twin X" provoqua un orage magnétique couvrant la planète d'un ciel opaque, bloquant ainsi toute source d'électricité.

Quelques années plus tard, les deux enfants du scientifique, Kiyoko et Tatsuya, vont se retrouver convoiter par deux groupes dont l'enjeu est l'avenir du monde, la Comptesse de Werdenberg et ses ados aux pouvoirs télékinésiques et le mystérieux Gilgamesh.