Hideki Motosuwa, un joven de 18 años, vivía en el campo hasta que reprobó su entrada en la Universidad, por ello decide prepararse para intentarlo de nuevo, y se muda a la ciudad.
Al llegar a Tokio, se da cuenta de que casi todas las personas poseen Persocons, que son computadoras con forma humana, lo que las hace más atractivas para los compradores. La única diferencia que tienen éstas computadoras con respecto a los humanos, son las extrañas orejas que poseen. Las Persocons pueden ser utilizadas para ejecutar programas, guardar datos, entrar a Internet, al igual que cualquier computadora, pero con la diferencia de que además pueden servir de compañía a las personas, ya que actúan como seres humanos hasta un cierto punto.
Hideki queda maravillado con las Persocons, desafortunadamente no cuenta con mucho dinero, por lo que le fue imposible adquirir una. Sin embargo, la noche de su llegada, mientras iba de regreso a casa, ve el cuerpo de una mujer de pelo rubio, cubierto por vendas blancas, y tirado en un basurero. Lo primero que piensa es que alguien la había asesinado, pero luego se fija en la forma de sus orejas, y se da cuenta de que es una Persocon abandonada. Decide llevarla a su casa y comprobar si la puede hacer funcionar, sin darse cuenta que en el lugar queda un pequeño disco que acompañaba a la Persocon.
Una vez en su casa, y después de muchos intentos, Hideki logró hacer funcionar a esta Persocon, que al despertar lo único que puede decir es "Chii". Por ello, Hideki decide bautizarla con ese nombre.
Más adelante, Hideki descubre que es posible que Chii sea una Persocon de la "serie Chobits", un tipo de Persocon legendario, ya que jamás se ha sabido de uno real. Las Chobits se caracterizan por poseer conciencia y una mente a la que le es indiferente tener o no instalado un sistema operativo, además de que, se rumorea, es una Persocon con sentimientos.
En el transcurso de la historia, Hideki conoce a más amigos, que están extrañamente conectados de formas distintas a sus Persocons, y se va dando cuenta de cuánto puede hacer feliz una Persocon y cuánto puede lastimar. También advierte que sus sentimientos hacia Chii son algo fuera de lo común y tienen que pasar una prueba para que puedan estar juntos por siempre, pero siempre enfrentando una terrible duda: ¿Puede una entidad que no es humana ser vista como una compañera sentimental?.
