東京・お台場にある自由な校風と専攻の多様さで人気の高校・私立虹ヶ咲学園に通う上原歩夢と高咲侑は、幼馴染の高校2年生。いつも一緒の２人は、その日も学校が終わるとお台場をブラブラ歩きまわり、ショッピングやカフェを楽しんでいた。昨日から続く――そして明日も続いていく、いつもと変わらない放課後。そんな中、突然歓声が響き渡る。駆け寄る歩夢と侑の視線の先に写ったのは、圧倒的なパフォーマンスを見せつける1人のスクールアイドルの姿で…。

生徒会長の中川菜々によって廃部となってしまったスクールアイドル同好会。その勝手な決定に納得のいかない１年生の中須かすみは、なんとしても同好会を復活させようと奮闘するが、誰からの協力も得られなかった。ふてくされていたところへ通りかかったのは、スクールアイドルを始めようとしていた歩夢と侑。２人を誘い、さらなる部員募集のために自己紹介動画を撮る提案をする。自然に自分をアピールするかすみに対して、かわいいを上手く表現できないことに頭を抱える歩夢。そんな歩夢に、かすみは自分の思う「かわいい」を押し付けてしまい…？！

生徒会長・中川菜々の正体はスクールアイドル・優木せつ菜だった？！ 押しかけた果林たちによって正体がばれてしまった菜々。かつてのスクールアイドル同好会のメンバーはせつ菜としての真意を問いただすが、菜々は無言を貫き、「優木せつ菜はもういません」とだけ伝える。自分の気持ちごとせつ菜を封印し、生徒会長として過ごすことで、全てを忘れようとしていた菜々。そこに聞こえてきたのは侑がピアノで弾く『ＣＨＡＳＥ！』のつたないメロディだった。

せつ菜のライブを見ていた宮下 愛と天王寺璃奈は、その姿に惹かれてスクールアイドル同好会への入部を決める。ところが、結成されたばかりの同好会は、それぞれのやる気があるものの目指す方向はバラバラだった。それでもスクールアイドルには練習が欠かせない。初めての経験を楽しんでいた愛だったが、同好会のメンバーはどこか不安を抱えていた。グループではない、新たな活動の形――、ソロアイドル。同好会の新たな道が見えようとしていた。

スクールアイドルに憧れ、心をぽかぽかにできるアイドルを目指してスイスからやって来たエマと、ふとした出会いから友達になった果林。ある日、エマは果林をスクールアイドルに誘うが、モデルの仕事があるからとそっけなく断られてしまう。一方、同好会では各メンバーの知名度を上げるためソロＰＶを作ることに。エマのＰＶ撮影に積極的に協力する果林。そんな果林を改めて同好会に誘うエマだったが、ついにはきっぱりと断られてしまう。エマは突き放すような果林の態度が理解できず……。

歩夢たちとジョイポリスへ遊びに来た璃奈は、偶然来ていたクラスメイトに声をかけられる。同好会のＰＶを見た彼女たちから、ライブを開催してほしいとの希望を聞く璃奈たち。みんなともっと繋がりたい、本当の自分を見てもらいたい――。その場でライブの開催を決意する璃奈。同好会のメンバーの助けを借りて特訓を始め、そのおかげで自信もついてきた璃奈だった。しかし、ふとガラスに写り込んだ何も変わっていない無表情の自分の姿を見て、思わず逃げ出してしまうのだった。

東雲学院のスクールアイドルで自慢の妹である近江遥のために、いつでも全力な彼方。ある日、遥が虹ヶ咲へ見学に来ることになった。有名な東雲学院ということもあり、歓迎する同好会のメンバー。妹の前ということで、気合の入る彼方。しかし、練習が終わると、いつものように眠ってしまう。そんな光景に、遥は不安そうな表情を浮かべていた。実は見学に来た理由は、いつも忙しい彼方を心配してのことだった。自分のために無理をしている彼方を見た遥は、スクールアイドルをやめる決意をする。

校内での知名度も上がり、新聞部から取材を受けることになったスクールアイドル同好会。
盛り上がる中、演劇祭の主役を降ろされてしまうしずく。そのことを隠すように、いつも通りに振舞って演じていた。かすみと璃奈はクラスメイトから、しずくが主役を降ろされたことを聞くと、元気づけようとしずくを連れ出す。しかし、そんな2人にも自分を演じて偽ってしまう。作り笑顔で去っていくしずくだったが、自分をさらけ出せない自分が受け入れられず、更に塞ぎ込んでしまう。

生徒たちからの人気も出てきたスクールアイドル同好会。さらなる成長を望んでいたところ、藤黄学園のスクールアイドル綾小路姫乃から音楽イベント出演の提案を持ちかけられる。しかし、披露できるのは１曲だけ。ソロアイドルの虹ヶ咲がステージに立てるのは1人だけということにお互い遠慮してしまう一同。その様子を見かねた果林はきつくあたってしまう。だけど、果林の言葉は本気で正しいものだった。真剣に受け止め、せつ菜はみんなと相談して決める提案を持ちかける。

一学期が終わり夏休みを迎え、同好会ではこれからのことを考えて合宿を行うことになった。翌日からの練習に備えて休むつもりが初めての合宿に浮かれ気分の一同。そんな中、侑はやりたいことを見つけていくみんなをどこか羨ましく思っていた。その夜、音楽室で１人ピアノを弾いていた侑の元に訪れたせつ菜から、いつか侑さんの大好きを応援させてほしい、と励まされる。そこへ偶然通りかかった歩夢は笑顔で話す２人に声をかけることができなかった。

スクールアイドルフェスティバル開催に向けて動き出す同好会。しかし、生徒会へ提案するものの簡単にはいかない。申請書の見直し、会場の下見、パフォーマンスの練習とやることはいくらでもある。東雲学院や藤黄学園も巻き込んで、ホームページを作成したり、投書箱を設置して広く意見を取り入れようとしたりと奔走するが、一番の課題は会場が一向に決まらないことだった。やりたいことはバラバラ、だけど１つに絞らなければいけない。みんなの願いを叶えたい侑は思い悩んでいた。

「私だけの侑ちゃんでいて」という歩夢の言葉。しかし翌日、いつも通りに振舞う歩夢に侑は戸惑いを感じる。一方、東雲学院と藤黄学園の参加も正式に決まり、生徒たちの協力のもと、順調にフェスの準備が進んでいた。歩夢も応援してくれるファンのみんなを前に嬉しくなるものの、素直に喜べないでいた。気持ちの整理がつかないまま、歩夢はどうしていいのかわからず侑と距離を取ってしまう。

スクールアイドル同好会での活動を経て見つけた、初めての夢――。音楽。そのために音楽科へ転科したいという気持ちをみんなに伝えた侑。同好会の一同も侑の想いを応援する気持ちはひとつだ。スクールアイドルフェスティバルのようなすごいことがうまくいけば、自分も夢への一歩を自信を持って踏み出せるかもしれない――そう侑は思う。そしてやってきたフェス当日。ライブステージがお台場の至る所に設置され、みんなのカウントダウンの掛け声と共に、スクールアイドルとファンたちを巻き込んだお祭りがついに始まった。各所で盛り上がる中、街中に響きわたる歌声を聞きながら空を見上げる侑。しかしその時、侑の頬に一滴の雨粒が落ちてくる。

無事スクールアイドルフェスティバルをやり遂げた同好会のメンバーたちは、みんなの期待に背を押され、早速第２回のフェスティバルを企画していた。きたる虹ヶ咲学園のオープンキャンパスで告知PVを公開しようと同好会が盛り上がるなか、音楽科へ転科したばかりの侑は、編入者向けの補習に悪戦苦闘。音楽科と同好会の二足のわらじで忙しい日々を過ごしていた。一方その頃、オープンキャンパス実行委員の三船栞子のもとに一通のメッセージが届く。そしてオープンキャンパス当日、鐘嵐珠（ショウ・ランジュ）とミア・テイラーが留学生として、虹ヶ咲学園へやって来た。

着々とフェスティバルの準備を進める中、YG国際学園より合同ライブの誘いを受ける同好会。エマは同じ留学生だからとランジュにも声をかけるが、あっさりと断られてしまう。また、音楽科の補習に四苦八苦の侑は、課題を軽々とこなすミアが実は世界的な音楽一家・テイラーファミリーの一員であり、さらに１４歳という事実に衝撃を受ける。
そんななか、ランジュが再度ゲリラライブを行うという噂が流れ、どうしても気になるかすみ、璃奈、彼方、そしてエマの4人はこっそりランジュの後をつけることにするのだが……。

かすみ、璃奈、彼方、エマの4人は一緒にステージに立つと意気込んだのは良いものの、ソロで活動してきた4人はバラバラのまま。ＹＧ国際学園との合同ライブまで残された時間は少ない。そこで璃奈は一人ずつやりたいことを発表するためのお泊り会を提案する。しかし、好き好きにやりたいことを言い合うだけの夜が続き、４人の意見は一向にまとまらない。
一方、侑は補習の最終課題として作曲をすることになり、苦悩していた。相談したミアからは、求められるものに応えればよいだけと忠告を受けるが……。

ある日、ショッピングをしていた果林は偶然愛と出会う。その隣には愛の幼馴染であり、「お姉ちゃん」と呼ぶ川本美里がいた。今日は美里の退院祝いだという。体調を気遣う愛と、元気に振る舞う美里。しかし果林は、美里が時折見せる曇った表情が気になっていた。果林が事情を尋ねるも、愛に余計な心配をかけたくないと美里は口を閉ざす。しかし愛はそんな美里の様子に気付いており、果林に相談を持ちかける。そっとしておいた方がいいと答える果林だったが、愛はその言葉を聞かずに美里のもとに駆けだしていってしまう……。

いよいよ第２回スクールアイドルフェスティバルが近づいてきた。文化祭との合同開催も決まり、慌ただしくなる学内。そんな中、しずくも所属している演劇部が、前夜祭の演出を任されることになった。歩夢とせつ菜による歌と芝居のユニットを想像していたしずくは、内密に侑に相談。すると侑からある提案があり、休日に2人だけで出かけることに。だが侑の様子を怪しく思った歩夢はたまたま出会ったせつ菜を巻き込み、そっと2人の後をつけるのだった。そして、楽しそうに会話をする侑としずくが向かったのは、なんと遊園地で……。

前夜祭に向けて映像研究部から密着取材の申込みを受ける同好会。しかし、未だに正体を明かしていないせつ菜に配慮し、密着を断る形で取材に対応することに。生徒会長とスクールアイドル、全く違う二つの大好きを、それぞれ続けるためにはこのままがよいとせつ菜は語る。しかし、学園中が開催日に向けて盛り上がるなか、些細なことから菜々がせつ菜であることが栞子に知られてしまう。その頃、合同文化祭でも新たな問題が起きていた。

ついに始まった５校合同開催による第２回スクールアイドルフェスティバル。１日目は東雲学院、２日目は藤黄学園、３日目はY.G国際学園と続き、４日目は紫苑女学院での開催となった。その展示室に飾られていたスクールアイドル時代の三船薫子と幼い栞子の写真。かつて栞子にもスクールアイドルに憧れる気持ちがあったことを知った侑たちは、栞子を同好会に誘う。しかし、3年間真剣にスクールアイドル活動に打ち込んだものの「ラブライブ！」への出場が叶わなかった姉・薫子の姿を見ていた栞子は、自分の適性を最大限発揮できる生き方、自分に合った役割を全うすると話し、その誘いを断ってしまう。

第2回スクールアイドルフェスティバル最終日。今日は、虹ヶ咲学園の文化祭との合同開催の日。しかし、当日になっても侑が作る同好会の曲は完成していなかった。最高の曲にしなければいけないというプレッシャーのもと、考え込んでしまう侑。侑の作った曲を歌う、それだけで素敵なことだと励ます同好会メンバーの言葉に、ひとまず気持ちを落ち着かせるが……。一方で、文化祭は大盛り上がり。様々な屋台や催し物の間を縫って、フェスティバル開演の合図となるニジガク号が学園中を颯爽と進んでいく。だがゴール目前、順調かと思われたまさにその時、ニジガク号が突然ストップ。このままではフェスティバルがスタートできない……。

無事にフィナーレを迎えた第２回スクールアイドルフェスティバル。そんな矢先、ランジュから、スクールアイドルをやめて帰国するという連絡が入る。理由を問い詰めるミアだったが、全てをやりきったというランジュはどこか冷めた表情で軽く聞き流すだけだった。自分の目的のため、ランジュに歌い続けさせたいミアは最高の曲を作ると啖呵を切る。同好会メンバーが見守る中、完成した曲を手に走り出すミア。曲の完成度に勝利を確信するが、ランジュはその曲に納得しなかった。渾身の一曲を否定されたと感じたミアは腹を立て、その場を立ち去ってしまう。

ランジュたちも加わって13人となり、一段とにぎやかになった同好会。しかし、かすみは人数が増えたことで部長としての威厳を示せなくなっているのではないかと気にしていた。みんなに部長として認められるためには、どうしたら——！ ひらめいたかすみの提案で、しずくの家でお泊り会をすることになった同好会。ショッピング、スポーツ、ゲーム大会と、13人そろっての初めての活動を楽しんでいた。一方、お泊り会にかこつけて部長としての威厳取り戻したいかすみの計画はことごとく失敗。果たして、かすみん部長化計画は成功するのか…。そして、ランジュも時折浮かない表情を見せていたのだった。

スクールアイドル同好会が部に昇格！？　そんな話を耳にしたかすみは大慌てで部室に駆け込むが、結局はうわさ話でしかなかったと判明する。部への昇格は希望制と聞き、考え込む同好会の面々。しかし眼前に迫る定期試験のほうも問題だ。せつ菜の提案のもと、学年ごとに分かれて勉強会をすることに。しかし部長であるかすみは同好会のままでいるべきか部になるべきか、どうしても気になって勉強に身が入らない。一方、果林もまたあることに思い悩んでいた。

ファーストライブに向けて準備に追われる虹ヶ咲学園スクールアイドル同好会。開催日も決まり、順調に進んでいく一方で、彼方の妹・遥や他校のスクールアイドルたちはラブライブ！の予選に向けて準備を進めていた。最愛の妹のため、全力で応援すると意気込む彼方。しかし遥はセンターを任されたプレッシャーにより、日に日に笑顔を失っていく。そんな遥を励まそうと準備をしている彼方に、侑がある悩みを打ち明ける。さらに、別の悩みを抱える歩夢もまた彼方へ相談を持ち掛けるのだった。

ついに迎えたファーストライブ当日。会場には虹ヶ咲学園らしい個性的な差し入れや、たくさんの応援メッセージが届いていた。期待に胸を膨らませて詰めかけたたくさんのファンたち……。みんなの想いに囲まれ、スクールアイドル同好会の13人は円陣を組む。それぞれが想いを届けるために、支えてくれた人たちに向けて感謝を伝えるために――。そして、ステージの幕が上がる。「私たちの虹を咲かせに！」