ほとんどの人は宇宙人、タイムトラベラー、超能力者の存在を否定する。高校生のキョンも例外ではない。しかし、彼の平凡な世界観は入学初日、涼宮ハルヒという少女によって打ち砕かれる。彼女は現実の認識を塗り替えようとしているのだ。クラスの自己紹介で、ハルヒは平凡な生活への嫌悪と超自然的な存在に出会いたいという強い願望を明確に述べる。既存の超常現象を扱う部活が見つからなかったため、彼女は衝動的に「世界を大いに盛り上げるための涼宮ハルヒの団」、通称SOS団を設立する。そしてハルヒはキョンに加え、物静かで本好きな長門有希、内気な先輩の朝比奈みくる、いつも陽気な古泉一樹の三人を勧誘する。彼らは一見普通に見えるが、各メンバーはハルヒの非凡な性質に関わる秘密を隠している。ハルヒの混沌とした世界に投げ込まれたキョンはSOS団に加わり、数々の冒険に乗り出す。その中で、謎めいたリーダーの真の本質が徐々に明らかになっていく。