《少女与战车》讲述了坦克世家出身的高中生西住美穗（渕上舞 配音）的故事。战车道作为一种被誉为修炼女性、并在世界范围内推广的传统文化，早已让美穗感到厌倦。为了摆脱家族带来的宿命，她特意转学到没有战车道课程的大洗女子学园，并在那里结识了憧憬浪漫爱情的武部沙织（茅野爱衣 配音）和擅长花道的五十铃华（尾崎真实 配音）。
然而，日本即将举办战车道大赛，大洗女子学园也因此重新开设了这门课程。由于学校缺乏相关经验，在学生会长的强势要求下，美穗不得不与沙织、华一同选修战车道。面对这门停滞已久的学科，18名少女从寻找废弃战车开始，逐步展开维修保养、驾驶操作、战术学习和实战演习，一切都只能从零起步。经过一段时间的艰苦训练，大洗女子学园的少女们终于驾驶着焕然一新的战车，踏上了高手云集的全国大赛赛场。
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