La série se déroule à New Townsville (Tokyo City dans la version japonaise originale). Afin d'arrêter une catastrophe écologique, le fils du Professeur Utonium, Ken Kitzawa Utonium, utilise le Chemical Z, une nouvelle forme de la substance originale du Professeur, le Chemical X, pour détruire un glacier géant. Cependant, l'impact du Chemical Z provoque l'apparition de plusieurs rayons de lumière noirs et blancs dans le ciel de New Townsville. Trois jeunes filles ordinaires, Momoko, Miyako et Kaoru, sont englouties par des lumières blanches et deviennent respectivement Hyper Blossom, Rolling Bubbles et Powered Buttercup. Cependant, les nombreuses lumières noires poussent d'autres personnes à basculer du côté du mal, et les Powerpuff Girls Z doivent donc utiliser leurs super-pouvoirs pour protéger New Townsville de méchants tels que Mojo Jojo, Him, Fuzzy Lumpkins, entre autres.