Mayo Chiki! sigue a Kinjirou Sakamachi, un chico cuyo cuerpo se ha endurecido durante años de entrenamiento con las mujeres de su familia, aficionadas a la lucha libre. Puede encajar golpes fuertes, patadas violentas e incluso embestidas mortales de vehículos, pero esa dureza tiene un serio punto débil: la ginefobia. Un simple toque de una chica puede provocarle hemorragias nasales incontrolables, sudoración intensa o incluso desmayos repentinos.
Su vida, cuidadosamente controlada, se ve sumida en el caos tras un encuentro fatal en el baño del instituto. Mientras intenta huir de una chica, Kinjirou descubre que Subaru Konoe, la estudiante más popular del centro y mayordomo de Kanade Suzutsuki, la hija del director, en realidad es mujer. Subaru reacciona dándole una brutal paliza que deja a Kinjirou inconsciente, y la situación se vuelve aún más extraña cuando despierta y encuentra a Kanade esperándolo. Ella le hace una propuesta poco habitual: si guarda el secreto de Subaru, lo ayudará a curar su fobia.
A partir de ese momento, Kinjirou queda atrapado entre el secreto de Subaru, el trato de Kanade y el desafío constante de sobrevivir al día a día con una condición que convierte cualquier encuentro cercano con una chica en un posible desastre.