Takumi Tsuzuki to uczeń szkoły średniej, który uczęszcza do prywatnej akademii Umenomori bez opłat, wraz ze swoją przyjaciółką z dzieciństwa, Fumino Serizawą, która z przyzwyczajenia mówi przeciwieństwo tego, co czuje. Większość godzin lekcyjnych spędza na odpieraniu ataków Chise Umenomori, wnuczki przewodniczącej rady dyrektorów i rozpieszczonej księżniczki, która ciągnie go za sobą do swoich ekscentrycznych hobby. Po szkole pracuje w cukierni „Stray Cats”, prowadzonej przez jego przybraną starszą siostrę, Otome Tsuzuki, aż do pory snu. To stanowi przeciętną codzienną rutynę i życie Takumiego. Mayoi Neko Overrun! opowiada o kolejnym pozornie zwyczajnym dniu w życiu Takumiego. Gdy jego siostra oddala się od sklepu, aby pomóc komuś innemu w potrzebie, Fumino bierze na siebie zadanie obudzenia go, aby nie spóźnił się na ich zwykły spacer do szkoły, co w procesie daje mu przelotny widok jej niebiesko-białych pasiastych majtek. Jakże miły sposób na rozpoczęcie dnia. Gdy Otome wraca do domu, przynosi ze sobą dziewczynę o imieniu Nozomi Kiriya, której włosy i zachowanie przypominają te dużej kotki. Okazuje się, że jest to uciekinierka, której Otome nie może odmówić schronienia. Zwyczajne dni Takumiego zamieniają się w wspaniały chaos, gdy próbuje rozwikłać, kim jest ta tajemnicza piękność i przed czym ucieka...