Hideki Motosuwa, un chico de 18 años, vivía en las afueras de Tokio en el campo hasta que suspendió su examen de ingreso en la Universidad, por ello decide tomar medidas para intentarlo de nuevo y se muda a la ciudad.

Al arribar a Tokio, se da cuenta de que casi todas las personas poseen Persocons, que son computadoras con forma humana, lo que las hace más atrayentes para los compradores. La única diferencia física que tienen estos ordenadores con respecto a los humanos son sus orejas, que sirven como puertos de acceso al sistema operativo del persocon. Las Persocons pueden ser utilizadas para ejecutar programas, guardar datos, entrar a Internet, al igual que cualquier ordenador, pero con la diferencia de que además pueden servir de compañía, ya que actúan como seres humanos hasta un cierto punto, pero carecen de sentimientos.

Hideki queda extasiado con las Persocons, desgraciadamente no cuenta con mucho dinero, por lo que le es imposible adquirir una. Sin embargo, la noche de su llegada (seis meses después de llegar según el manga), mientras va de regreso a casa, ve el cuerpo de una joven de pelo rubio cubierto por vendas blancas tirado junto a la basura. Lo primero que piensa es que alguien la ha asesinado, pero luego se fija en la forma de sus orejas y se da cuenta de que es una Persocon abandonada. Resuelve llevarla a su casa y comprobar si la puede hacer funcionar, sin darse cuenta que en el lugar queda un pequeño disco.

Una vez en su casa, y después de muchos intentos, Hideki logra hacerla funcionar, y al despertar lo único que puede decir es "Chii". Por ello, Hideki decide bautizarla con ese nombre.

A continuación, Hideki descubre que es posible que Chii sea una Persocon de la serie "Chobits", un tipo de Persocon legendario, ya que jamás se ha sabido de uno real. Las Chobits se definen por poseer conciencia y una mente a la que le es indiferente tener o no instalado un sistema operativo, además de que, se rumorea, que son Persocons capaces de procesar sentimientos.

En el transcurso de la historia, Hideki conoce a más amigos, que están extrañamente conectados de formas distintas a sus Persocons, y se va dando cuenta de cuánto puede hacer feliz una Persocon y cuánto puede lastimar. Asimismo advierte que sus sentimientos hacia Chii son algo fuera de lo común y tienen que pasar una prueba para que puedan estar juntos por siempre, pero siempre enfrentando una terrible duda: ¿Puede una entidad que no es humana ser vista como una compañera sentimental?