Tokiko Mima, apodada «Key», es una niña de 17 años que vive en el campo japonés y que, a pesar de su apariencia humana, es un robot. Cuando el abuelo de Key, el Dr. Murao Mima fallece, él le deja un mensaje agonizante y le dice que puede convertirse en una chica de verdad si puede hacer treinta mil amigos. Por lo tanto, Key se muda del tranquilo valle de Mamio a las concurridas calles de Tokio, donde pronto se encuentra con su amiga de la infancia Sakura Kuriyagawa. Key rápidamente se enamora del ídolo cantante Miho Utsuse y se pregunta si convertirse en cantante le permitirá hacer la cantidad de amigos que necesita para convertirse en humano. Pero Miho tiene un secreto siniestro: está conectada con Jinsaku Ajou, una antigua rival del Dr. Mima que intenta hacer un nuevo avance en el armamento robótico. Mientras Key trabaja para convertirse en una chica real, Ajou pone en acción un plan peligroso, y resulta que Key tiene mucho más de lo que parece.