ある日、東京CITYにてユートニウム博士と助手で息子の北沢ケンが謎の物質ケミカルXの研究をしていたところ、デジタル犬のピーチが誤って大福をケミカルXの中に混入させてしまい、ケミカルZが完成する。
ちょうどその時、東京CITY湾に巨大氷山ができるほど寒冷化するという謎の異常気象が発生する。
そこでケンはケミカルZをレーザー光線にして研究所から氷山に向けて発射。
氷山は無事に破壊されるが、同時にケミカルZは白い光と黒い光となって東京CITYに降り注いでしまう。
赤堤ももこ、豪徳寺みやこ、松原かおるの3人の少女はケミカルZの白い光を偶然浴び、スーパーヒロインに変身する力を得たことで「パワパフガールズZ」が誕生した。
3人は東京CITYの平和を守るため、日夜ケミカルZの黒い光が生み出したモンスターたちと戦う。