主角羽丘芽美是一个中学二年级女生，她的强项是体育。芽美的好朋友深森圣良是实习修女，课余时间在教堂聆听前来祈求天主帮助的人的请求，当中许多人是来祈求一些本来属于他们的物品可以物归原主。圣良会把这些请求告诉芽美，芽美便会变成怪盗“怪盗圣少女”去达成那些人的愿望。虽然怪盗圣少女的动机是善良的，但她偷取物品的行为在表面上仍算是盗窃。“芽美是怪盗圣少女”的秘密只有圣良知道。

芽美的同学飞鸟大贵（飞鸟Jr.；飞鸟二世）很想捉到St. Tail，并且得到市长许可，能够调动警察对付怪盗圣少女。可是他不知道怪盗圣少女的真正身分。芽美对飞鸟产生了好感，甚至在行动前会向飞鸟发出挑战书，让他作好准备。虽然飞鸟很努力，却一直捉不到怪盗圣少女。

在第13集里，怪盗圣少女需偷走一面魔镜，而该面魔镜可照出人的身份。怪盗圣少女在强光中照魔镜时照出了本来面目，恰巧给飞鸟看见。之后，飞鸟开始怀疑芽美就是怪盗圣少女。

在故事结尾，飞鸟被人掳走。芽美为救走飞鸟，决定变身成怪盗圣少女救飞鸟。芽美行动前也循例发出挑战书，示意飞鸟“怪盗圣少女将会偷走他”，也是最后一次任务。飞鸟和芽美于8年后结婚。