De serie speelt zich af in New Townsville (Tokyo City in de originele Japanse versie). Om een ecologische ramp te voorkomen, gebruikt Ken Kitzawa Utonium, de zoon van Professor Utonium, Chemische Z, een nieuwe vorm van de originele substantie van de Professor, Chemische X, om een gigantische gletsjer te vernietigen. De impact van Chemische Z veroorzaakt echter dat verschillende zwarte en witte lichtstralen verschijnen in de lucht boven New Townsville. Drie gewone meisjes, Momoko, Miyako en Kaoru, worden omhuld door witte lichten en worden respectievelijk Hyper Blossom, Rolling Bubbles en Powered Buttercup. De talrijke zwarte lichten zorgen er echter voor dat anderen zich tot het kwade keren, dus de Powerpuff Girls Z moeten hun superkrachten gebruiken om New Townsville te beschermen tegen schurken zoals Mojo Jojo, Him, Fuzzy Lumpkins en andere schurken.