《枪娘》描绘的是主角凯瑞在恢复战斗回忆后逐渐“觉醒”的历程。自2025年起至2030年期间，一场席卷全球的大规模人类争斗引发了严重的人员伤亡，超过一半人口因此丧命；此时，人们已经无法控制局势的发展，为了赢得胜利，新的无人作战技术，例如星轨激光摧毁及智能机器人大规模袭击等方式得到了不断的改进和完善，在战场上相继登场：包括通过轨道发射的高能光线攻击，成群的无人机协同进行轰炸任务，还有受高级AI指挥的自动驾驶坦克车队。然而在这个科技迅猛发展的时期内，仍有一支队伍坚守传统的方式对抗敌人—那就是依然使用陈旧步枪作战的少女们，这群特殊的战士被称为枪娘。回到过去，“一个携带智慧生命体意识的精神实体”，为了躲避同伙的追查而秘密藏身于邻近的一家武备商店里的闲置军事设备M4A1之中。经历了一系列的变化之后，这名以M4A1之名存在的人工生命进入了一个居住在一个热爱收集老式武器的城市青年手里。该青年细心照顾这只昔日战场上的重要工具，并且经常与她对话交流展示出无尽的关注和支持态度同时给予她的表面擦拭也异常温和细致。受到外来灵性的催化作用，这种互动的关系令枪（也就是外星生物本身），感受到了来自人间情感的呼应于是转变成了具备性别特徵的形式，这个女孩的名字叫做“凯瑞”。但是随着掌握关键情报的重要国家开始采取措施意图拘捕具有人格特质的“凯瑞”之时。