自闭的少年樱田纯，收到了写着“上发条”、“不上发条”字样的邮寄广告，选择并收到的是第5蔷薇少女真红。然后接二连三地在樱田纯的面前出现了个性丰富的人偶们，成为真红的仆人后他也被卷入有关蔷薇少女的生命——争夺“蔷薇圣母”的“爱丽丝游戏”中。
在纯选择了“不上发条”的世界里，真红遇到了成为了大学生的纯。虽然已不再是家里蹲，但在大学和打工的地方都找不到自己的归处的纯每天都很抑郁。有一天，在打工时找到了《周刊：少女的制作方法》。那期是创刊号，每期附赠部件，组装梦幻的少女——蔷薇少女。
知道《周刊：少女的制作方法》暂时停刊束手无策的纯（大），在这种情况下再次发送邮件给纯的世界的纯的世界，邮件中说因为某种原因不能完成了，虽然是让人难以置信的情况，但纯（小）不能忽视另一个世界的自己的情况，纯（大）遵照另一个世界的纯（小）的指示开始制作真红。
纯在梦中的“N之领域”和真红短暂的邂逅。醒来后等待他的是和睡前有明显变化的真红。然后在真红的人工精灵荷莉耶的帮助下，真红成功的觉醒。觉醒后的真红认识到没有办法回到“被拧发条的世界”，大声宣布让纯成为她的仆人，虽然屈服真红的态度，但是纯和她的共同生活开始了。
《新 少女的制作方法》被送到了纯的家里。真红警诫是雪华绮晶的陷阱，所以忠告纯绝对不要打开。在那之后，上班打工的纯遇到同事齐藤，齐藤希望纯给公演的服装提点建议。“我觉得有什么会改变”――有这种预感的纯回到家后，等待他的是在房间里大声争吵的真红和蔷薇少女第一人偶——水银灯。
受到齐藤的邀请来到公民馆看剧团练习的纯在那里认识到了管理大道具的齐藤的哥哥，出于某种原因帮助他一起制作大道具。另一方面，在纯的房间中在猫与狗之间的真红和水银灯擦出了火花。对于执着于爱丽丝的水银灯夺取第四人偶苍星石的蔷薇圣母，真红说是自己的罪孽。
真红的日常在早晨享受着红茶。水银灯不知道为什么倒下了，她的人工精灵们来向真红求助。另一方面，打工时和齐藤聊天的纯，不远处的店长从嘴里发出暗讽的话在纯的脑海里一直不能离去。同时，纯的周围陆续出现《新 少女的制作方法》，好像是催促纯快点完成人偶一样。
纯开始帮助剧团在幕后认真地工作。和剧团成员以及齐藤一起努力继续走向公演所度过的日子，是纯到目前为止最充实的生活。在这情况下，还有一点时间打工就结束回家的纯，灾难降临了。知道库存不对的店长武断地认为是齐藤的错，让齐藤和纯收拾善后。
舞台剧终于迎来了开幕日。终于做完要做的事的纯，看着齐藤把一切交给台下的观众。与此同时，在观看舞台剧，但至今为止没有这样感触的纯回头来到舞台的旁边，水银灯却不知为何出现了。另一方面，在舞台上当小道具的真红有不祥的预感。正如两个人偶预料的那样，雪华绮晶在现实世界里终于实体化了。
三位人偶战斗的时候，翠星石出现了。另一方面，雪华绮晶实体化后也愿意帮助他们，后悔的真红自愿完成契约，但真红为了不想把纯卷进来而踌躇不定。同时，雪华绮晶、翠星石和水银灯都想与纯结下契约，然而意想不到的展开了。
“上发条的纯”在侵入雪华绮晶的世界时，在路上遇到了拉普拉斯之魔。一边应付作为旁观者的拉普拉斯之魔，一边赶路的纯（小），在漆黑的谷底发现了某样东西。另一方面，真红他们找到了让两个个世界恢复原状的方法，但苍星石说要让钥匙动起来需要她和翠星石两人的力量才行。然而要唤醒翠星石，水银灯拥有的苍星石的蔷薇圣母是必不可少的。
通过翠星石和苍星石的力量，被停止的世界的时间开始转动，但真红的身体因达到时限而粉碎。纯（大）对自己的选择而导致的结果感到绝望，这时，上发条的纯和第二人偶金丝雀赶来。上发条的纯将真正真红的身体交给纯（大），让真红复活。另一方面，水银灯知道第六人偶雏莓将自己的蔷薇圣母献给真红而受到打击。
和上发条的纯、蔷薇少女告别后，纯的生活恢复正常，唯一不同的就是，自己的世界渐渐变得充实，有了大学的同学，来自斋藤剧团的邀请以及打工商店的部长希望他就职店长的请求，本以为生活就这样平淡度过，可是某日，真红、苍星石和翠星石在柏叶的帮助下打来视频电话，希望他能帮助上发条的纯解除危机，并相约在N之领域见面。
