在距离地球非常遥远的“星空界”中心，存在着圣域“星之神殿（スターパレス）”以及十二星座的星之公主们，她们的力量维持着宇宙间的平衡。然而某天，星之公主们遭到不明人士袭击，变成了12支“公主星光彩色笔”散落在宇宙中。再这样下去，星球将会毁灭，连地球和宇宙都会被黑暗所吞噬……！
“众星的光辉消失之时，与闪耀之书一同诞生的传说中的战士·光之美少女，将会夺回星辰的光芒。”来自星空界行星沙曼的外星人少女拉拉和在星之神殿侍奉星之公主的宇宙妖精普伦斯依循着宇宙间流传的这条古老传说，带着星之公主们最后诞生下来的希望·芙娃一起离开故乡，踏上了寻找传说中的战士“光之美少女”的旅途。
在地球日本观星镇，喜欢宇宙和星座的中学二年级生星奈光在观察星空并记录星座的时候被从突然出现的虫洞中跳出的妖精芙娃撞上。紧接着第二天，从天而降的火箭也带来了外星人少女拉拉与宇宙妖精普伦斯。真正的外星人竟然出现在自己的眼前了！
以支配宇宙为目标的组织“劫掠侵袭者”竟然为了抓住芙娃追到了地球上……“我想要帮助芙娃！”，在星奈光强烈的愿望下，从闪耀之书中诞生出了“星彩吊坠”与“变身星光彩色笔”，借由这两样物品，星奈光成功变身，成为了传说中的战士光之美少女——Cure Star（星空天使）！
为了收集撒落在宇宙四处的公主星光彩色笔，以及培育作为复活星之公主的关键的妖精芙娃，星奈光与同伴们将从地球飞往宇宙，展开一场奇妙的旅途……！