主人公・星奈ひかるは観星町に住む宇宙と星座が大好きな観星中学校の2年生。星空を観察していた夜、天文台を管理する空見遼太郎から貰ったノートに自作の星座を描いていたところ、描いた星座が生物となって現れる。ひかるが興奮していると、突如その生物によって宇宙空間にワープしてしまう。その場を漂っていたのだが、気づくとベッドで寝ており、夢かと落胆していたところ再びその生物が姿を現し、家を飛び出していった。追いかけて見つけ出し、戯れていたときにひかるはその子のフワフワ感から「フワ」と名付け、フワもその呼び方を気に入った様子だった。その最中、空からロケットが着陸し中から少女と謎の生物が出てくる。ひかるは驚くどころか宇宙人だと興奮して少女たちに近づき困惑させる。どうやらフワの知り合いらしく、謎の生物はひかるにスターパレスから来たプルンスと自己紹介し、そして少女は惑星サマーン出身のララと紹介する。そこに宇宙の支配を企む謎の組織ノットレイダーの幹部・カッパードと戦闘員・ノットレイが現れる。ララたちはフワを連れてロケットで宇宙へ逃げるが、とっさの判断でひかるも乗り込んでいた。しかしカッパードらに追いつかれロケットが攻撃を受けた弾みでフワが宇宙空間へ放り出されてしまう。ひかるはフワを助けるために宇宙に飛び出し、フワを守ろうと決意したその時、フワの力でひかるのノートがトゥインクルブックへと変化、さらにスターカラーペンダントと変身スターカラーペンが現れる。ひかるはそれらを用いて「星のプリキュア」キュアスターへと覚醒、ノットレイダーを退散させる。ひかるは一連の出来事に興奮するとともにララと出会えたことを嬉しがるが、ララは地球の言葉を解せずにいた。だがフワが再び不思議な力を発揮し、ひかるとララは互いの言葉を解するようになり、ララはフワを守ってくれたひかるに感謝の意を伝える。その時、先ほどの攻撃で損傷したロケットは制御不能となりそのまま落下、観星町に不時着する。ロケットの損傷が激しく、修理のためララたちは観星町に留まることになった。これを機にララとプルンスはひかるに「地球から遠く離れたところに星空界の聖域・スターパレスがあり、そこでは12星座のスタープリンセスが宇宙の均衡を保っていたこと、スターパレスがノットレイダーの襲撃を受けプリンセスたちは12本のプリンセススターカラーペンとなって宇宙に散らばってしまったこと、このままでは地球や宇宙が飲み込まれてしまうためプリンセスの力を解放できる伝説の戦士プリキュアを捜す旅をしていた」と説明し、また「地球は宇宙星空連合の管轄外のため地球人との交流は連合が定める宇宙法で禁じられており、それに抵触すると宇宙の旅が100年間禁止になってしまう。決して他言しないこと」と口止めを依願する。一方、ララはデータ上自分と同じ低確率である地球人のひかるがプリキュアになれたのを疑問に思っていた。しかしひかるは「過去のデータにこだわってもこれからは分からない」と諭す。その時再びカッパードたちが現れ、ひかるはスターとして応戦するが、ララはプリキュアになれない、自分ではフワを助けられないと思い込んでいた。落胆するララにスターは「大切なのは自分の気持ち」と告げ、その言葉に感銘を受けたララはフワを助けたいという強い気持ちを持ったことで「天の川のプリキュア」キュアミルキーへと覚醒、スターに共闘を誓う。カッパードたちを退散させた直後ペンダントが音を発しだしたのだが、ララは分析を試みるも分からないままだった。ここで直感を元に臨機応変に突っ走るひかると、データ分析を重視し慎重に行動しようとするララの相対する性格が災いし、早くも軋轢が生じてしまう。だが、商店街で出会った「観星中の太陽」と呼ばれるひかるの学校の先輩・天宮えれなに「互いの言葉を聞く」という忠告、そして仲良くして欲しいというフワの懇願から冷静となり、それぞれの考えをまとめた結果プリンセスペンを見つける。そこに新たな幹部・テンジョウが現れペンを奪われるが2人は連携攻撃を仕掛けペンを奪還して勝利、見事おうし座のスタープリンセスの力を解放することに成功する。おうし座のプリンセスからフワを育てるよう託され、その後ひかるとララは互いの無礼を省み謝罪し呼び捨てで呼び合う親友かつバディとなる。その後2人はえれなに仲直りの報告をしに行った帰りにテンジョウからの奇襲を受けるが、異変を察知し駆けつけたえれなが「太陽のプリキュア」キュアソレイユへ覚醒し2人に加勢する。一方えれなと人気を二分し「観星中の月」と呼ばれる生徒会長の香久矢まどかがララとフワの姿を見て疑念を抱き、ひかるたちを尾行しロケットを見て驚愕する。そこに再びテンジョウが襲撃するが、まどかが状況を酌み「月のプリキュア」キュアセレーネへ覚醒しテンジョウらを退かせる。4人は契りを交わし「スター☆トゥインクルプリキュア」を結成する。これを見たノットレイダーは次に3人目の幹部・アイワーンとその執事・バケニャーンを仕向け、人間をダークペンで怪物・ノットリガーに仕立てる暴挙に出る。そのペンの正体は闇に染まったプリンセスペンであった。それを知った4人はチームプレーを仕掛け奪還し、見事しし座のプリンセスを解放する。その後ララが「ひかるたちにもロケットを直してほしい」と願い3人も快諾し一致団結、プリンセス救出に大きく前進する。そしてひかるたちの頑張りにより修理と改造が終わりいざ宇宙へ発射し無事到着、さらにペンダントの導きとフワの力により星空界へ赴く。一行はペンダントが示した惑星ケンネルへ降り立ちプリンセスペンを発見するが、そこでカッパードと遭遇する。4人は対峙して見事勝利とペンを掴み取り、そしててんびん座のプリンセスを解放し地球へと帰還する。次に惑星クマリンへ赴くが、そこでカッパードらに隙をつかれプリンセスペンを奪われてしまう。三幹部はそれをダークペンに変え、その力で3人が合わさったノットリガーへと変貌し4人の前へ現れる。4人は対峙するも力の差を見せつけられピンチになるが「わたしたちは負けない！」と奮起する。その時だった、4人の決意が合わさりトゥインクルステッキが誕生する。4人はそれを用いた必殺技でノットリガーを撃破、併せて三幹部も退かせ事なきを得る。しかしこの戦闘で遼太郎にララたちの正体がバレてしまったが、彼は状況を酌みひかるたちに秘密を共有することを誓う。だがこの戦闘を政府の命で宇宙人に関する調査を行っていたまどかの父で政府高官の香久矢冬貴に見られ4人は事情を問われるが、そこにハリウッドで活躍する映画監督のP.P.アブラハムが突然現れ「映画撮影の特撮」と説明して冬貴を納得させ事態を収束させる。その後アブラハムは「宇宙星空連合の調査員」と明かし、そして宇宙法に違反したララたちに故郷への強制帰還を命じる。それに納得できないひかるは彼に4人出演の映画撮影を依願し「撮影が成功したら取消し」と妥協案を出して彼も承諾するが、アイワーンらの妨害で撮影中止となってしまう。4人は覚悟を決めるがアブラハムは「君たちの友情に感涙した！」と絶賛しララたちの帰還を見送り、そしてララに地球で名乗る名字をつけるよう促す。そこでひかるが「ララが演じた『羽衣天女』から『羽衣ララ』はどう？」と提案し、彼女も気に入る。こうしてララは地球人「羽衣ララ」としての新生活に観星中への通学を熱望し、アブラハムの根回しにより無事編入しひかるとクラスメイトになる。しかし、いざ授業を受けるとサマーンと地球との学力差に目がオヨぎ「わたし、AIがいないと何もできない…」とオヨび腰になる。そして「このままだと3人に迷惑をかける」と考え対策を練り、その結果AI指導のもと地球人として振る舞うことを決め「ルン」の語尾をやめる。だが3人から「ララじゃない」と不評を受け、またひかるが「ララと学校に通えて、そしてみんなに紹介できて嬉しい！」と感激しているのを見て「自分を偽らない」と悟り喋りを戻す。その後クラスメイトからも「ルンちゃん」と愛称で呼ばれて不安が吹っ飛び、ララのルンルンな学校生活がここに始まる。その後残りのプリンセスペンを探すべくゼニー星へ赴き、そこで宇宙怪盗・ブルーキャットのウワサを耳にする。そしてペンダントが示した場所へ向かうと宇宙アイドルのマオと出会い、彼女を見た途端プルンスが狂喜乱舞する。プルンスはひかるたちに「彼女の曲で勇気を貰った」とファンになった経緯を説明する。その後アイワーンが乱入した際マオがブルーキャットと同一人物と明かし、一行（特にプルンス）は驚愕の事実を目の当たりにする。4人は自分たちがプリキュアだとなぜブルーキャットが知っていたのか疑念を抱くも、彼女から協力を依頼され受けることに。次に惑星レインボーへ赴くが、そこは荒廃した土地と石化した住民という異様な光景だった。そこにアイワーンとバケニャーンが現れ、そこでバケニャーンの正体が明らかに。なんと彼の正体はブルーキャットが変装していた姿であり「わたしはあなたが滅ぼした惑星レインボーの生き残り、故郷の復活に必要なプリンセスペンの情報を得るためあなたに近づいた！」と真実を明かす。4人はブルーキャットと共闘してアイワーンを退け、戦闘後ひかるは彼女の思いに感銘を受け協力を誓う。しかし彼女はこれを拒み、あろうことかプリンセスペンとフワを奪って逃げてしまった。その後4人はフワを助けるべくペンダントが示した場所へ向かいブルーキャットを見つける。ひかるは再度説得を試みるが彼女は聞く耳持たずまたも逃走を図り、4人はやむを得ず対峙を決める。そしてスターとブルーキャットの一騎討ちの最中、突然ブルーキャットがネコのような人間に変身する。その後彼女は「わたしは変化の能力がある獣人よ」と明かし、そして惑星レインボーの成り立ちから滅亡までの経緯を4人に説明する。その直後ノットリガー化したアイワーンが現れスターたちは応戦するが力負けし変身が解けてしまい、それを見たブルーキャットは「みんなを助けたい！」と決心する。その時だった、彼女の思いにトゥインクルブックが呼応し変身ペンとペンダントが誕生する。彼女はそれらを用いて「宇宙のプリキュア」キュアコスモに覚醒し、4人を助けるべく仇敵アイワーンと対峙する。そんな矢先、突然アイワーンに謎の存在・ダークネストの力が憑依し強大な力を得る。5人は苦戦を強いられるが、スターはアイワーンが苦しんでいるのを見抜き救うことを決める。コスモも彼女に同意したその時、香水が変化しレインボーパフュームが誕生する。それを用いた必殺技でアイワーンを元に戻すが、あろうことか彼女に宇宙船を奪われてしまい恩を仇で返されてしまった。それを見たひかるはブルーキャットをスターパレスへと誘いプリンセスたちと謁見させる。プリンセスたちはブルーキャットに力強い言葉を掛け、彼女もそれを聞き故郷を必ず復興させると決意する。その後ひかるから「一緒に地球へ行こう！」と誘われたブルーキャットはこれを受け入れ、そして「本当の名前はユニよ」と明かし仲間になることを誓う。こうしてひかるたちはユニとともに地球へ無事帰還し、今まで以上に「キラやば〜っ」な生活がここに始まる…が、同時にノットレイダーとの真の戦いも始まろうとしていた。ひかるは5人での共闘に胸を踊らせていたが、ユニは地球でも相変わらず単独行動し素っ気なかった。その後ユニのミスでフワにハプニングが起きた時も彼女一人で行動していたが、えれなから仲間の良さを聞いて考えを改め徐々に4人と共闘するように。こうして改めて5人の「キラやば〜っ」な生活が始まったのであった。4人はユニを観星町星祭りに誘いさらなる親睦を深めていた最中、突然ララの端末に「サマーンへ戻れ」と若い男性の声で通信が入る。ララは4人に「声の主は双子の兄・ロロで、サマーンでも数少ない優秀な調査員」と説明する。それを聞いたひかるは「サマーンに行きたい！」興奮し、そして夏休み中と相まって一行はサマーンへ向かうことに。その道中ロケットが故障するハプニングがあったが無事修理を済ませサマーンに到着、ひかるたちはロロと両親に会い親睦を深める。それも束の間、今度はノットレイダーの襲撃に見舞われるが5人の頑張りにより無事解決し地球へ帰還する。これで安堵できると思いきや、4人目の幹部・ガルオウガが現れ最後のプリンセスペン誕生を阻止すべく立ちはだかる。5人は対峙してこれに辛勝、最後に残ったうお座のプリンセスを復活させる。これで12人のプリンセスと12本のペンが揃い、その瞬間シャイニートゥインクルペンが誕生する。それをトゥインクルブックに使った途端フワがユニコーンのような容姿になり、それを見た5人は驚愕する。改めてフワが何者と5人が考えていた最中、そこに突然ノットレイダーらが襲来し5人は応戦するも苦戦を強いられる。万事休すかと思われたその時だった、5人はユニコーンフワから発生した不思議な力に包まれ次の瞬間トゥインクルスタイルへと変化を遂げる。そして合体必殺技でノットレイダーらを退却させ観星町に平穏な日常を取り戻す。こうして5人は新たな形態と必殺技を手に入れノットレイダーの野望阻止に弾みをつける。一方でノットレイダーは新たな作戦で宇宙侵略を目論むのであった。果たしてこれから何が待ち受けているのだろうか？5人の戦いは続く…。スター、ミルキー、ソレイユ、セレーネ、コスモの5人はスタープリンセスたちの願いであるフワの守護と育児を行い、そして惑星レインボーの復興を筆頭に宇宙に平和をもたらすためノットレイダーとの戦いに挑む。