Tokiko Mima, soprannominata "Chiave", è una ragazza di 17 anni che vive nella campagna giapponese e che, nonostante il suo aspetto umano, è un robot. Quando il nonno di Key, il dottor Murao Mima, muore, le lascia un messaggio in punto di morte, dicendole che potrà diventare una vera ragazza se riuscirà a farsi trentamila amici. Così, Key si sposta dalla tranquilla valle di Mamio alle trafficate strade di Tokyo, dove presto incontra la sua amica d'infanzia Sakura Kuriyagawa.Key si innamora rapidamente della cantante idol Miho Utsuse e si chiede se diventare una cantante le permetterà di farsi la quantità di amici necessari per diventare umana. Ma Miho nasconde un segreto inquietante: è collegata a Jinsaku Ajou, un vecchio rivale del dottor Mima che cerca di fare una svolta nel campo delle armi robotiche. Mentre Key lavora per diventare una vera ragazza, Ajou mette in atto un piano pericoloso e si scopre che in Key c'è molto di più di quanto sembri.