평범한 듯 보이지만 절대 평범하지 않은 사연을 가진 아라라기 코요미가 괴이에 대해 알고 있다는 오시노 오우기라는 여자애를 알게 되고, 그녀를 만나면서 어쩐지 그는 그녀에게 끌려다닌다. 그렇게 그는 그녀의 질문에 기억나지 않는 과거를 마주하게 되고, 과거와 현재에 얽힌 복잡한 사건들이 진실을 서서히 드러내기 시작한다. 나오에츠 고등학교에 얽힌 학생들과 괴의들이 복잡한 이야기들이 수학 공식처럼 서서히 풀리기 시작한다.