Der Anime Lemon Angel Project handelt von dem Casting und der späteren Kariere einer Girlgroup namens „Lemon Angel Project. Act 2“. Die erste Lemon Angel Girlgroup verschwand unter merkwürdigen Umständen aus der Öffentlichkeit. Kaum einer weiß was damals geschah und dass obwohl die Gruppe zu der Spitze der Charts gehörte. Nun hat sich die NM Nouvelle Music Entertaiment Inc. dazu entschlossen eine zweite Girlgroup zu casten um den Erfolg der ersten Lemon Angel’s anzuknüpfen.
Tomo Minaguchi ist eine Drittklässlerin der Hakuou High. Auch sie war ein großer Fan, da sie eine Freundin von Yui Kouno, der Songwriterin und Komponistin der Lemon Angel’s war. Außerdem war eine von Tomo’s jetzigen Sempais, Miki Suwa, die Teamleaderin der ersten Lemon Angel Gruppe. Tomo liebte Yui’s Songs und durfte sie immer als eine der Ersten hören. Leider starb Yui kurz nachdem sich die Lemon Angel’s getrennt hatten.

Tomo ist nicht schlecht erstaunt, als sie der Producer Ryota Kogure anspricht, ob sie nicht bei dem Casting zum neuen Lemon Angel Project teilnehmen will. Er weiht sie in das Geheimnis der früheren Lemon Angel’s ein und sagt ihr, dass es immer Yui’s Traum gewesen ist, dass Tomo ein Teil der Lemon Angels’s sein sollte.
Letztendlich entschließt sie sich dazu, sich dem Wettbewerb zu stellen und trifft beim Casting zum Beispiel auf die laute und äußerst selbstbewusste Saya Yuuki, oder die Halbbrasilianerin Erica Campbell, deren Bruder selbst Teil einer berühmten dreiköpfigen Boyband ist. Miki Suwa ist die Einzige, die von vorn herein einen Platz in der Girlgroup sicher hat. Für Tomo jedoch ist die Konkurrenz hart und es kommt zu dem üblichen Zickenterror und zu Schikanen.
Nach dem die erste Hürde gemeistert ist, beginnt für die 20 Teilnehmerinnen, die die Vorausscheidung gewonnen, der Unterricht. Tanzstunden, Vocaltraining, Fotoshooting und Stilingtipps stehen auf dem Plan. Die letzte Station ist ein öffentlicher Auftritt, bei dem fünf der 12 Finalistinnen ausgewählt werden. Kann Tomo es schaffen ein Lemon Angel zu werden? Und was ist mit Miki Suwa, warum scheint sie Tomo zu hassen? Doch viel wichtiger ist: Wird es den Lemon Angel’s gelingen eine eingeschworene Gruppe zu werden und die Spitze der Charts zu erreichen?