Od dzieciństwa Tomoki Sakurai budzi się ze łzami po tym, jak śni mu się anioł. Jego przyjaciółka z dzieciństwa, Sohara Mitsuki, martwi się o niego i postanawia poprosić o pomoc Eishirou Sugatę, ekscentrycznego entuzjastę nieba. Eishirou dochodzi do wniosku, że sen Tomokiego jest niewątpliwie powiązany z tym, co znane jest jako Nowy Świat – unoszącą się anomalią, której naukowcy nie potrafią zrozumieć. Rekrutując pierwszych członków Klubu Badań Nowego Świata, Eishirou ustala termin spotkania, aby mogli zaobserwować tajemnicę na niebie. W tym dniu spokojne życie Tomokiego zmienia się na zawsze, gdy z nieba spada dziwna dziewczyna i zaczyna nazywać go panem. Sora no Otoshimono opisuje codzienne aktywności Klubu Badań Nowego Świata, gdy zaczynają oni dowiadywać się więcej o Angeloidach, które przybyły na Ziemię.