Desde criança, Tomoki Sakurai sempre acordou chorando após o sonho de um anjo. Sua amiga de infância, Sohara Mitsuki, se preocupa com isso e decide procurar a ajuda de Eishirou Sugata, um excêntrico maníaco do céu. Ele conclui que o sonho de Tomoki está, sem dúvida, ligado ao que é conhecido como Novo Mundo, uma anomalia flutuante que os cientistas não conseguiram compreender. Recrutando os primeiros membros do New World Discovery Club, Eishirou agenda um horário para se encontrarem para observar o mistério no céu. Naquele dia, a vida pacífica de Tomoki mudou para sempre quando uma garota estranha caiu do céu e começou a chamá-lo de mestre. Sora no Otoshimono acompanha as atividades diárias do New World Discovery Club à medida que eles começam a aprender mais sobre os Angeloids que chegaram à Terra.