Ketika anak kucing yang ditinggalkan dan hati nuraninya yang baik memaksa tahun kedua Sorata Kanda untuk pindah ke Sakura Hall yang terkenal di Sekolah Menengah Suimei, asrama satelit dan penghuninya yang eksentrik dan tidak sesuai mengubah hidupnya secara terbalik. Sorata yang sangat biasa-biasa saja merasa sulit menyesuaikan diri dengan kumpulan penghuni asrama yang aneh seperti Misaki, seorang animator yang energik; Jin, seorang playboy penulis naskah; Ryuunosuke, seorang programmer tertutup; dan Chihiro, manajer asrama, guru seni, dan gadis pesta.

Teman Sorata, Nanami, seorang siswa tahun kedua dan aktris pengisi suara yang bercita-cita tinggi, mendorongnya untuk mencari pemilik baru untuk banyak kucing sehingga dia dapat dengan cepat pindah kembali ke asrama biasa. Namun, keinginannya untuk melarikan diri dari Sakura Hall goyah ketika tahun kedua yang mirip hewan peliharaan dan kekanak-kanakan Mashiro Shiina, seorang ahli artistik kelas dunia yang ingin menjadi mangaka, pindah selama trimester musim semi dan dengan cepat menempel padanya.

Didukung oleh kebiasaan masing-masing, Sorata dan Mashiro keluar dari cangkang mereka dan memicu perubahan dalam kehidupan orang-orang di sekitar mereka. Berdasarkan seri novel ringan dengan nama yang sama, Sakurasou no Pet na Kanojo mengeksplorasi benang-benang halus yang menghubungkan bakat, kerja keras, romansa, dan persahabatan dengan para pemain ensambelnya.