Bei einem Date mit ihrem Schwarm Masaya Aoyama (青山 雅也) wird die Mittelschülerin Ichigo Momomiya (桃宮いちご) in ein verunglücktes Experiment verwickelt. Ihre Gene werden mit denen der Iriomote-Wildkatze vermischt. Als beide bald darauf von einer mutierten Ratte angegriffen werden, verwandelt sich Ichigo in Mew Ichigo, mit Katzenfähigkeiten, -ohren und -schwanz. Als diese kann sie die Ratte besiegen und der mysteriöse Ryo Shirogane erklärt ihr, dass sie nun als biologische Waffe gegen außerirdische Angreifer eingesetzt werden soll. Damit dies jedoch geheim bleibt, arbeitet sie von nun an im Café Mew Mew, das auch als Basis dient. Auch ihr Freund darf davon nichts erfahren. Bald finden sich fünf Mädchen zusammen, deren Gene mit denen von ausgestorbenen oder bedrohten Tierarten gemischt wurden und die nun gegen vom Außerirdischen Kisshu mutierte Tiere, Chimären, kämpfen sollen. Diese Fünf sind neben Ichigo Mint Aizawa(Vogel) (藍沢みんと), Lettuce Midorikawa(Schweinswal) (碧川れたす), Purin Fon(Affe) (黄歩鈴) und Zakuro Fujiwara(Wolf) (藤原ざくろ).

So können sie den Außerirdischen mehrere Niederlagen beibringen, doch gerät Ichigo immer wieder in schwierige Situationen, wenn sie ihre Verwandlung im Alltag nicht unter Kontrolle hat, besonders in Gegenwart Masayas. Schließlich stellt sich heraus, dass auch Ryo Shirogane die Fähigkeit hat, sich in ein Tier zu verwandeln, und so in Form einer Katze immer wieder Ichigo hilft. Doch auch Kisshu kommt seinem Ziel, den legendären Deep Blue zu erwecken, näher. Dieser lebt in Masaya und beginnt zu erwachen, Masaya kann ihn immer weniger kontrollieren.