放送に先駆けて2013年7月30日より公式サイト、YouTube、ニコニコチャンネルで0話PVが配信され、同年10月18日より公式サイト、ニコニコチャンネルで1話前半の先行配信が行なわれている。また、放送前特番として2013年12月6日 5:00 - 5:30に「放送直前!『ロボットガールズＺ』特番」が東映チャンネルにて放送された（リピート放送あり）。
あの往年のスーパーロボットたちを美少女化! 『マジンガーZ』を始めとするスーパーロボットたちが美少女になって登場。彼女たちの普段の生活とは果たして? 主人公ロボはもちろん、敵だってかわいくてキュートな機械獣ガールズ! かわいい機械獣の着ぐるみを着た美少女たちが世界征服、いや、町内征服をたくらむ!
東京都は練馬区、大泉学園光子力町。 安くて安心、未来のエネルギー“光子力”を宣伝しようと、 三人の女の子が道行く人々にチラシを配っていた。 ロボットガールズのＺちゃん、グレちゃん、グレンダさんだ。 やる気のない三人のもとに、アルバイトのコンパニオンたちがやって来る。 だが、その姿はどう見てもあやしくて…。
光子力エネルギーを奪おうと挑んだものの、 ロボットガールズにいじめられ、泣きながら帰ってきたあしゅら男爵と機械獣ガールズ。 機械獣ガールのガラダＫ７はご機嫌ななめ。ダブラスＭ２も、すっかりいじけて引きこもっている。 面倒見のいいあしゅら男爵は、上司であるDr.ヘルに叱られながらも、二人をなだめようとする。
海だーっ！ きらめく水着姿になって、浜辺を駆けていくロボットガールズ。 海辺のワクワクドキドキツアー３泊４日、のはずだった。それなのに今いるのは、沼津沖に出たマグロ漁船の甲板。 さんざん破壊した町内の修繕費を、マグロ漁で稼いで来いということらしい。 この漁船が、とんでもないものを釣り上げて…。
今日は光子力町の大運動会。体育会系のＺちゃんは元気いっぱいだ。 一等賞を取って人気者になり、すっかりゴキゲンのＺちゃん。 ところがそこに、巨大な大空魔竜とともに、ガイちゃん（ガイキング）、 ガッキー（ガ・キーン）バラたん（バラタック）、 ダンダン（ダンガードＡ）の、 ロボットガールズ・チームＴが登場する！
水をおごるからタコ焼きをよこせと、グレちゃんにたかるＺちゃん。 相変わらずむちゃくちゃな彼女を「お姉ちゃん」と呼ぶ、謎の美少女が現れた。 彼女の名前はミネルバＸ。 Ｚちゃんの前ではピュアな女の子だが、素顔は実に腹黒い。 単純なＺちゃんは、複雑なグレちゃんの気持ちも知らず、手もなくだまされてしまう。
Ｚちゃんたちロボットガールズは、鬼怒川っぽい町に温泉旅行にやって来た。 そこで出会ったのは、ローレライよう子。 かつては伝説のアイドルグループ“ラインＸ”で活躍していた彼女も、今は田舎を営業回り。 ひとたび歌い出すや、音波兵器なみの凶悪な歌唱力に、大ファンのグレンダさんを除く全員がのたうち回り…。
不景気の影響を受けるのは、世界征服業界も例外ではない。 地下帝国も色々と厳しいようで、失敗続きのあしゅら男爵は、とうとうリストラを言い渡されてしまった。 独り身のアパートで落ち込むあしゅら男爵。 何とか元気づけようとするガラダＫ７とダブラスＭ２の前に、見るからにうさんくさいセールスマンが現れ…。
地下帝国は資金を使い果たした挙げ句、不渡りを出して潰れてしまったらしい。 すっかりリラックスモードのロボットガールズだが、根っからやんちゃなＺちゃんは、退屈でたまらない。 そこに突然、何者かによる攻撃が。 さっそく出動したロボットガールズの前に現れたのは、強大な力を持つ暗黒大将軍だった！
処刑される寸前でＺちゃんたちを救い出したゲッちゃん（ゲッターロボ）とジーグさん（鋼鉄ジーグ）も、 暗黒大将軍には歯が立たなかった。 ロボットガールズ最期の時が迫る…。そこに駆けつけたのはミネルバＸ。 彼女だけではない。ローレライよう子が、ロボットガールズ・チームＴが、力を合わせて戦おうと集結する！
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練馬に突如現れた結合少女ボング。 まさか、復活の地下帝国！？艦砲射撃の猛攻撃でピンチのチームZの前に現れたのは、。 ライガ様、ポンちゃん、そしてゲッちゃんドラゴンの新生チームGだった！
としまえんに出現した空魔少女グランゲン。 女の子が大好きなグランゲンは、そのいやらしい絡みつく触手で新生チームG、 さらには助っ人で参戦してきたジーグさんとパーンさんをも、ことごとく絡め取ってしまった。 しかし、そこに現れたのは、なんと…！
としまえん・オープンステージにて開催された＜「第１回ロボットガールズフェス」＞。 チームZ、チームGのみならず、新たにチーム號、そしてチームLODが続々と参戦。 ロボットガールズ最強のチームの栄冠は、どのチームに！？
ロボットガールズの前に出現したピクドロンは、光を照射し、密かな弱点を暴露 する能力を持っていた。 弱点を看破されたゲッちゃんたちは、心の中だけではく、服が弾け、次々と半裸状態に！ 残されたチームLODは、意を決し、ガイちゃん・ ザ・グレートへと合体する！
練馬区庁舎に招待されたチームZ＆G。だがそれは、ボングやグランゲンたちを影 で操っていた練馬区終身名誉区長ギルギルガン子の罠だった。鋼鉄製の籠に囚わ れてしまうチームZ＆G。彼女たちの命運は…！？
ギルギルガン子の狙いは、街を破壊するロボットガールズの練馬区からの追放。 その圧倒的な力に大苦戦のチームZ＆G。だがそこに現れた、弓博士！ チームZの3人に託されたものとは…！？
第1話「驚異!ロボットガールズZ」 第2話「恐怖!地下帝国の事情」 第3話「衝撃!沼津沖大決戦」
第4話「競演!!ロボットガールズ大運動会」 第5話「困惑!?謎の美少女登場」 第6話「湯けむり♡温泉大作戦」
第7話「激闘!あしゅら男爵の逆襲」 第8話「ショック!!!!!光子力町最期の日!」 第9話「ロボットガールズＺ!暁に死す!!」
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