猫眼三姐妹是专门窃取美术作品的盗贼集团，她们作案时总会留下带有猫眼三姐妹字样的卡片。被猫眼三姐妹所盗的美术作品都属于她们失散多年的父亲海因茨（一位著名的艺术收藏家）所拥有。犬鸣警察署刑警内海俊夫负责调查猫眼三姐妹的案子，但是逮捕行动却一次又一次因猫眼三姐妹逍遥法外而失败。来生瞳是内海俊夫的女友，经营一家同样名为“猫眼”的咖啡厅。内海俊夫却不知道，来生瞳即是猫眼三姐妹之一……
转入景部高中的迷之美少女——诗音，因为拔群的运动神经和天真烂漫的性格在学校中迅速成为了受欢迎的女孩子，实际上，她竟然是处于实验中的“AI”。诗音突然在孤独的里美面前唱歌，并试图用意想不到的方式让她收获“幸福”。得知她是人工智能的里美、还有里美的青梅竹马兼机械爱好者东马、人气第一的帅哥小豪，意志坚强的女孩绫、柔道部成员桑达一行人，被诗音折腾着的同时，也被她执著的样子和歌声感动。诗音为了里美做出的某个行动，竟把她们卷入了大混乱中。稍显笨拙的人工智能和她的同学们交织成，充满温情和乐趣的电影。
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