Ichigo Momomiya y cuatro chicas más (Mint Aizawa, Lettuce Midorikawa, Pudding Fong y Zakuro Fujiwara) tienen su ADN misteriosamente combinado con el de animales en peligro de extinción, ganando habilidades especiales y una extraña apariencia. Más adelante descubren que han sido seleccionadas para proteger la Tierra de un grupo de alienígenas que quieren conquistarla: Kisshu, Taruto, Pai y el misterioso Deep Blue, que tienen la habilidad de controlar aliens que infectan animales y los convierten en monstruos llamados Chimera Animas.
Al mismo tiempo, estas cinco chicas trabajan en el Café Mew Mew como camareras. Para complicar aún más las cosas, Ichigo tiene que descubrir si su novio, Masaya Aoyama, la quiere o sabe que es una Mew Mew. También le persiguen otros dos chicos: Ryō Shirogane y el alienígena Kisshu.