Black Rock Shooter comienza en el inicio del año escolar en el mes de abril. En su primer día de escuela secundaria, Mato Kuroi, se hace amiga de una chica llamada Yomi Takanashi quien recientemente se mudó a la ciudad. Mato, rápidamente se une al club de baloncesto, que incita a Yomi a unirse al club de voleibol ya que ambos clubes se practican al mismo tiempo en el gimnasio. Las dos pasan mucho tiempo juntas durante el año siguiente, y en una salida Mato le regala a Yomi un colgante para el móvil. En su segundo año de secundaria, acaban en clases diferentes, lo que reduce la cantidad de tiempo que pueden pasar juntas. Por otra parte, Yomi comienza a sentir celos de Yuu, secretaria del club de baloncesto que sí quedó en la clase de Mato y ese año comenzaron a compartir más.
Cuando Yomi aparentemente desaparece, Mato se preocupa por no presentarse a la escuela al día siguiente y por no responder a los mensajes de texto. Mato se deprime más cuando ella se entera de que Yomi ha sido reportada como desaparecida y es interrogada por dos detectives sobre su paradero. Un día, Mato recibe un mensaje de texto en blanco de Yomi y va a su lugar favorito en la ciudad donde se encuentra el colgante para el móvil que le regaló. El colgante comienza a brillar y es transportada a un mundo extraño donde se encuentra con su otro 'yo' del mundo paralelo, Black Rock Shooter. Como Mato intenta encontrar a Yomi, que se une con Black Rock Shooter y lucha contra Dead Master, quien en realidad es el otro 'yo' de Yomi personificado. A medida que batallaban, Dead Master (quien en realidad es la alternativa Yomi) está a punto de caer a su muerte, Black Rock Shooter evita que Dead Master caiga, y la abraza, haciendo que el cuerpo de Yomi se libere de los sentimientos impuros que habían provocado la batalla entre estos dos personajes en el mundo paralelo. Los acontecimientos de su larga batalla están dispersos por todo el anime. Aún se desconoce en que terminará la aparentemente interminable batalla entre los personajes de este mundo alterno
