三平太は、「10年後に会えた時には三平太くんのお嫁さんになる！」という言葉を残して転校した初恋の女の子を忘れられずにいた。そんな三平太の元に謎の二頭身女“ケメコ”が大量のロボットとともに襲来する。ロボットとケメコの戦場と化した彼の部屋で、ケメコは「私がおまえのヨメだ！」と三平太に迫ってくるが…。
“ケメコ”の正体は実は特殊強化スーツで、中に三平太の初恋の女の子に似た少女が入っていた。10年前の写真を突きつけて初恋の少女なのかどうかを確かめようとする三平太。だが、少女はあっさり否定してケメコに乗り込んだまま三平太に迫りまくる。そんな二人の様子を三平太の超真面目な妹のタマ子が目撃してしまい…。
なぜかケメコが教育実習生として三平太の学校にもやってきた。三平太を一日中敵から守るためだといって、授業そっちのけで教室でも三平太を追いかけ回すケメコに、密かに三平太を想っているイズミは動揺を隠せない。そんなケメコとイズミの衝突（？）に振り回される三平太の前に、さらに黒装束を着た謎の女まで現れて…。
三平太を襲った謎の女が、翌日三平太の後ろの席に座っていた。実は、入学以来登校したことのないクラスメイトの“黒崎リョーコ”だったのだ。驚き怒る三平太だが、クラスメイトたちはリョーコを受け入れてしまう。一方、三平太がおかしくなり始めたのはケメコのせいだと思い込んだイズミは、ケメコに水泳で勝負を挑み…。
締め切りを過ぎた漫画原稿をケメコの超人的なアシスタントで仕上げた三平太の母ふみ子は、そのお礼にとケメコに映画のチケットをプレゼントした。そして、三平太を脅迫して、無理やりケメコとデートさせようとする。渋々ケメコに付き合い町に出た三平太は、行く先々で問題を起こしまくるケメコに嫌気がさして…。
ついに夏休みが始まり、早川はイズミたちに旅行の計画をもちかけた。三平太とイズミをくっつけようという心づもりだが、そこにケメコが無理やり割り込んできて結局一緒に行くことになってしまう。あわてて家に逃げ帰った三平太だったが、家にはケメコそっくりの特殊強化スーツ“キリコ”が待ち構えていた…。
風邪で高熱を出していたためにイズミは、早川と旅行用の水着を買いに行った店の中で倒れてしまった。早川からイズミが大変なことになったと聞かされ、彼女の家にかけつけた三平太は、ただの風邪と知り一安心する。だが、3日後に迫る旅行を前にイズミは、風邪が治るには1週間かかると診断されて密かに落ち込んでいた…。
三平太との約束の日を前に“邪魔者”を片付けようと画策して、一人の少年を送り込んだヴァニラたち。一方、リョーコに昼食をおごるはめになった三平太は、この機会に彼女が何者なのかを聞こうとする。今日1日自分を楽しませてくれたら教えてやってもいいというリョーコの意味深な態度にふりまわされる三平太だが…。
ついに早川の別荘にやってきたケメコたち。イズミの水着姿に、急にどぎまぎしてしまう三平太。そんな二人のいい感じの雰囲気に、エムエムはケメコの中から出て一人落ち込んでしまう。実は、エムエムも水着を着てきていたのだ。だが、誰に見せるわけでもないのだからと着替えようとした時、イズミがやってきてしまい…。
別荘で過ごすバカンスも残すところ一日となり、早川は最後の夜に隣の島で行われる花火大会を見に行こうと皆に提案した。全員浴衣に着替えての花火大会だったが、三平太と二人きりになった途端子供の頃の二人の思い出が蘇ったイズミは、恥ずかしくなって逃げてしまう。残された三平太の前に、浴衣姿のエムエムが現れ…。
とうとうエムエムの正体を教えてくれるというヴァニラとの約束の日になった。エムエムが何者なのかが気になり続けていた三平太は、ヴァニラに会う前にエムエム本人から話を聞き出そうとする。だが、エムエムはいつも通りはぐらかして逃げてしまう。仕方なく意を決して、三平太はヴァニラとの約束の場所に向かうが…。
ヴァニラに連れ去られた三平太を助けようと、ケメコ（エムエム）はリョーコとともにミシマビルに突撃した。そんな中、エムエムが父親である科学者の三志摩宗一郎を亡き者にし、発明を奪い去ったということを聞かされて動揺する三平太。そこへエムエムが現れ、キリコ（ヴァニラ）とケメコ（エムエム）の死闘が始まり…。
