Robot Girls Z fala de três Garotas-Robô que incorporam os robôs da famosa franquia Mazinger Z da Toei: Mazinger Z, Great Mazinger e UFO Robo Grendizer. Elas andam por Tóquio, promovendo uma nova fonte de energia chamada "energia fotônica". Mas quando um grupo de Garotas-Cyberferas aparece, tentando roubar essa energia, as garotas formam o "Time Z" e lutam para proteger essa preciosa fonte de poder!