Desde que era un niño, Tomoki Sakurai siempre se ha despertado con lágrimas después de soñar con un ángel. Su amigo de la infancia, Sohara Mitsuki, se preocupa por esto y decide buscar la ayuda de Eishirou Sugata, un excéntrico maníaco del cielo. Concluye que el sueño de Tomoki está indudablemente conectado con lo que se conoce como el Nuevo Mundo, una anomalía flotante que los científicos no han logrado comprender. Al reclutar a los primeros miembros del New World Discovery Club, Eishirou programa un tiempo para reunirse y observar el misterio en el cielo. Ese día, la vida pacífica de Tomoki cambia para siempre cuando una extraña chica cae del cielo y comienza a llamarlo maestro. Sora no Otoshimono sigue las actividades diarias del New World Discovery Club a medida que comienzan a aprender más sobre los angeloides que han llegado a la Tierra.