主角羽丘芽美是一個國中二年級女生，她的強項是體育。芽美的好朋友深森聖良是實習修女，課餘時間在教堂聆聽前來祈求天主幫助的人的請求，當中許多人是來祈求一些本來屬於他們的物品可以物歸原主。聖良會把這些請求告訴芽美，芽美便會變成怪盜「怪盜聖少女」去達成那些人的願望。雖然怪盜聖少女的動機是善良的，但她偷取物品的行為在表面上仍算是盜竊。「芽美是怪盜聖少女」的秘密只有聖良知道。
芽美的同學飛鳥大貴（飛鳥Jr.；飛鳥二世）很想捉到怪盜聖少女，並且得到市長許可，能夠調動警察對付怪盜聖少女。可是他不知道怪盜聖少女的真正身分。芽美對飛鳥產生了好感，甚至在行動前會向飛鳥發出挑戰書，讓他作好準備。雖然飛鳥很努力，卻一直捉不到怪盜聖少女。
怪盜聖少女需偷走一面魔鏡，而該面魔鏡可照出人的身分。怪盜聖少女在強光中照魔鏡時照出了本來面目，恰巧給飛鳥看見。之後，飛鳥開始懷疑芽美就是怪盜聖少女。
在故事結尾，飛鳥被人擄走。芽美為救走飛鳥，決定變身成怪盜聖少女救飛鳥。芽美行動前也循例發出挑戰書，示意飛鳥「怪盜聖少女將會偷走他」，也是最後一次任務。飛鳥和芽美於8年後結婚。
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