Maria†Holic sigue a Kanako Miyamae, quien se traslada al Colegio Católico Ame no Kisaki después de convencerse de que el lugar donde sus padres se enamoraron por primera vez también podría ser donde ella encuentre por fin su propio romance. Por desgracia, Kanako tiene un gran obstáculo: los hombres le provocan urticaria, así que llega a la academia femenina decidida a encontrar una pareja de su mismo sexo.
Allí conoce a la deslumbrante Mariya Shidou y enseguida cree haber encontrado a la chica de sus sueños, solo para descubrir que Mariya en realidad es un chico que se viste de chica. Mariya no tarda en aprovechar ese secreto para chantajear a Kanako, amenazándola con revelar sus supuestas intenciones impuras si no le ayuda a mantener oculto su verdadero género. Incluso sustituye a la compañera de habitación original de Kanako para poder vigilarla de cerca en todo momento.
Entre las estrictas rutinas y los incesantes cotilleos de un prestigioso colegio femenino, Maria†Holic convierte la búsqueda del amor de Kanako en una caótica lucha de secretos, malentendidos y convivencia forzada, mientras intenta sobrevivir a la vida con Mariya sin abandonar el romance por el que llegó.