Nhân vật chính của Superdimension Neptune VS Sega Hard Girls chính là IF – hiện thân của chính Idea Factory, nhà sản xuất và phát hành chủ chốt của dòng game Hyperdimension Neptunia, và vốn thường đóng vai phụ trong các phiên bản của thương hiệu này. Tại Grand Library, Đại Thư Viện lưu trữ lịch sử của thế giới, những cuốn sách không chỉ có thể cung cấp tri thức cho những ai cần mà còn có quyền năng thay đổi chính lịch sử nếu chúng bị chỉnh sửa. Thế rồi một biến cố không tưởng xảy ra khi những cuốn sách cùng lịch sử mà chúng giữ gìn lần lượt biến mất trước mắt IF khi cô tìm đến đây.

Giờ đây, trên chiếc xe của mình do Neptune hóa thành, IF cũng những người bạn của cô phải thực hiện một chuyến hành trình xuyên không gian và thời gian, rong ruổi khắp các thế giới để tìm ra sự thật đằng sau biến cố trên cũng như khôi phục lại lịch sử của thế giới trước khi thế giới vì điều đó mà sụp đổ.