Tokiko Mima, apelidada de “Key”, é uma garota de 17 anos que vive no interior do Japão que, apesar de sua aparência humana, é um robô. Quando o avô de Key, Dr. Murao Mima, falece, ele deixa uma mensagem de morte, dizendo-lhe que ela pode se tornar uma garota de verdade se ela for capaz de fazer trinta mil amigos. Assim, Key se muda do tranquilo Vale do Mamio para as ruas movimentadas de Tóquio, onde logo encontra sua amiga de infância Sakura Kuriyagawa.
Key rapidamente se apaixona pela cantora Miho Utsuse e se pergunta se se tornar uma cantora permitirá que ela faça a quantidade de amigos necessária para que ela se torne humana. Mas Miho carrega um segredo sinistro: ela está conectada a Jinsaku Ajou, um velho rival do Dr. Mima tentando fazer um novo avanço no armamento robótico. Enquanto Key trabalha para se tornar uma garota de verdade, Ajou coloca um plano perigoso em ação, e acontece que há muito mais para Key do que parece.
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