Desde que entrou no ensino médio, Kyou Nukui não compareceu a uma única aula. Em vez disso, ele passa seus dias trancado em seu quarto compondo música e postando-a na internet acompanhado dos desenhos de seu único amigo, um artista com o pseudônimo "Kiriyume". Um dia, Kyou hesita em fazer o upload de sua mais nova composição, e primeira saída de seu estilo típico, TR03. Além disso, ele não faz o upload sob seu apelido habitual "HibikiP", mas simplesmente sob o nome "me", e sem um desenho de seu amigo misterioso. Pouco depois, Kyou recebe um e-mail muito educado, não apenas elogiando sua música, mas também de alguma forma discernindo que ele é, de fato, o compositor por trás de TR03. O e-mail também pede um encontro em um parque próximo, para o qual ele cautelosamente decide ir. Para sua surpresa, no entanto, ele encontra três garotas do ensino fundamental no local do encontro! De repente, Jun Gotou, Nozomi Momijidani e Sora Kaneshiro pedem sua ajuda para realizar um concerto em sua casa, uma antiga igreja agora usada como orfanato. E embora Kyou esteja relutante no início, depois de ver suas habilidades musicais, ele eventualmente decide aceitar a proposta delas. Baseado na light novel de mesmo nome do premiado Sagu Aoyama, "Tenshi no 3P!" acompanha Kyou enquanto essas três anjas mudam sua vida.