Después de los sucesos ocurridos en Bakemonogatari, para todos llega una época de cambio, sin embargo, eso no implica que las excentricidades dejen de hacer lo suyo. Karen y Tsukihi Araragi, las hermanas de Koyomi, serán quienes se vean involucradas esta vez con extrañas criaturas. Karen será envenenada por una "abeja", mientras que Tsukihi se verá en peligro debido a que es la reencarnación de un fénix. En esta ocasión, varios especialistas en excentricidades se acercarán a ellas para intentar hacerles daño y Araragi y Shinobu deberán protegerlas a toda costa.

La historia sucede en el año 2036, donde tras un accidente nuclear, el gobierno japonés se verá obligado a trasladar su capital y evacuar Tokio. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos, más del 90% de los ciudadanos de Tokio mueren debido a la exposición a la radiación, convirtiéndose en una ciudad fantasma. Dos décadas más tarde, una repentina señal de radio llevará a la implementación de la "Coppelion", una unidad de fuerzas especiales dentro de la Fuerza de Autodefensa. Compuesto por tres chicas de secundaria, Fukusaku Aoi, Naruse Ibara y Nomura Taeko, quienes fueran modificadas genéticamente para resistir a la radiación, serán enviadas a la ciudad para encontrar y rescatar a los sobrevivientes. En medio de una ciudad reclamada por la naturaleza y lleno de nada más que los restos del pasado, las chicas se iniciaran la búsqueda de personas que no deberían existir, a la vez que intentaran desentrañar los misterios de una tierra abandonada hace tiempo por la humanidad.