Desde criança, Tomoki Sakurai sempre acordava com lágrimas depois do sonho de um anjo. Seu amigo de infância Sohara Mitsuki se preocupa com isso e decide procurar a ajuda de Eishirou Sugata, um maníaco excêntrico do céu. Ele conclui que o sonho de Tomoki está, sem dúvida, conectado ao que é conhecido como o Novo Mundo, uma anomalia flutuante que os cientistas não conseguiram entender. Recrutando os primeiros membros do New World Discovery Clubs, o Eishirou 'marca um horário para se encontrar, a fim de observar o mistério no céu. Naquele dia, a vida pacífica de Tomoki muda para sempre quando uma garota estranha cai do céu e começa a chamá-lo de mestre. Sora no Otoshimono segue as atividades diárias do New World Discovery Club quando começam a aprender mais sobre os angeloides que chegaram à Terra.