Bộ truyện lấy bối cảnh ở New Townsville (Thành phố Tokyo trong phiên bản tiếng Nhật gốc). Để ngăn chặn một thảm họa sinh thái, con trai của Giáo sư Utonium, Ken Kitzawa Utonium, sử dụng Hóa chất Z, một dạng mới của chất gốc của Giáo sư, Hóa chất X, để phá hủy một sông băng khổng lồ. Tuy nhiên, tác động của Hóa chất Z đã gây ra nhiều tia sáng đen và trắng xuất hiện trên bầu trời New Townsville. Ba cô gái bình thường, Momoko, Miyako và Kaoru, bị bao phủ bởi những tia sáng trắng và lần lượt trở thành Hyper Blossom, Rolling Bubbles và Powered Buttercup. Tuy nhiên, vô số tia sáng đen đã khiến những người khác trở nên độc ác, vì vậy Powerpuff Girls Z phải sử dụng siêu năng lực của mình để bảo vệ New Townsville khỏi những kẻ phản diện như Mojo Jojo, Him, Fuzzy Lumpkins cùng các kẻ phản diện khác.