Dumbbell Nan Kilo Moteru? se centra en Hibiki Sakura, una estudiante de secundaria glotona cuyo amor por la comida empieza a notarse en su cintura. Después de una habitual ronda de comida tras las clases, su mejor amiga, Ayaka Uehara, le llama la atención, y los intentos de Hibiki por hacer ejercicio por su cuenta no llegan a ninguna parte. En busca de un nuevo comienzo, decide apuntarse al recién inaugurado Silverman Gym.
Lo que espera que sea un simple gimnasio pronto se convierte en algo mucho más extraño. En la sesión de orientación, Hibiki se encuentra rodeada de culturistas y atletas de renombre mundial, y el ambiente se vuelve todavía más surrealista cuando conoce a Akemi Souryuuin, la presidenta del consejo estudiantil y chica idol del instituto, que resulta ser una auténtica fetichista de los músculos. Repugnada por la escena que tiene ante sí, Hibiki intenta marcharse, pero el entrenador Naruzou Machio la detiene en seco. Completamente deslumbrada por su recién descubierto príncipe azul, Machio, Hibiki se inscribe en el gimnasio al instante.
A partir de esa decisión impulsiva, la serie sigue a Hibiki mientras se adapta a un nuevo estilo de vida basado en el entrenamiento, la disciplina y el excéntrico mundo de Silverman Gym, convirtiendo su esfuerzo por ponerse en forma en una comedia de músculos, motivación y entusiasmo embarazoso.