A história do filme desenrola-se na Europa onde Yoshika Miyafuji que perdeu os seus poderes na última missão das Strike Witches estuda para se tornar médica.
No ano de 1973, uma raça alienígena conhecida como BETA invadiu a Terra, durante 30 anos eles mataram bilhões de humanos e praticamente dominaram a maior parte do continente europeu e asiático. A humanidade desenvolveu armas humanóides conhecidas como TSF (Tactical Surface Fighters) para tentar vencê-los, mas isso apenas atrasava as forças inimigas. Em 2001, o império japonês encontra dificuldade no desenvolvimento dos novos TSF enquanto defende suas terras da invasão. A Nações Unidas enviaram uma proposta de um programa entre os EUA e o Japão para um desenvolvimento mútuo para um novo projeto de TSF, The Prominence Project. E o encontro entre duas pilotos, uma japonesa e outra americana, vão mudar os seus destinos drasticamente.
O ano é 1939 - foi quando os Neuroi apareceram. Ninguém sabia de onde eles vieram ou o que pretendiam, mas o fato era que seus ataques expulsavam as pessoas de suas terras e cidades. Em ordem para obter armamento contra eles, a humanidade criou uma nova arma anti-Neuroi chamada unidade Striker. Usando o poder da magia para lutar contra os monstros, este novo dispositivo melhora e amplifica o poder de garotas com poderes mágicos. Para usar este dispositivo, jovens bruxas de todo o mundo são reunidas para formar uma força-tarefa de elite chamada "501ª esquadra de caça conjunta", popularmente conhecida como "Strike Witches".