パーソナルコンピュータであるペルソコムが人間にそっくりな社会において、愛の真の性質が試される。田舎から出て大学入試の勉強に臨む青年、Hideki Motosuwaは生活に追われ、最新技術であるペルソコム(人型コンピュータ)を買うことさえままならない。ある夜、帰宅途中に捨てられたペルソコムを見つけ、アパートに持ち帰る。起動すると、彼女はたった一つの言葉「Chii」とだけ応答し、それが彼女の名となる。他のペルソコムとは異なり、Chiiは情報をダウンロードできないため、Hidekiは入試の勉強をしながら、手取り足取り彼女に人生を教え込むことになる。
友人の助けを借りて、HidekiはChiiの謎に迫り始める。彼女は「Chobit」と呼ばれる伝説的なペルソコムなのではないかというのだ。Chobitは、本物の人間の感情や思考、そして所有者を愛する能力を持っていると噂されている。しかし、ペルソコムと人間の間の恋愛関係の可能性は依然として不透明なままだ。