典型的なロイシンリッチリピートタンパクであり、骨格に沿ったαヘリックスとβシートの繰り返しで構成されている。これらの二次構造は曲がった右巻き螺旋を形成し、全体として馬蹄形になる。αヘリックスとβシートは平行で、それぞれ馬蹄形の内側と外側の壁を構成している。αヘリックスからβシートに移行する部分にはアスパラギンが存在し、ターンを安定化する。α、βは28、29残基ごとに繰り返され、遺伝子構造に対応した57残基のユニットを形成する(各エクソンは57残基をコードする)。
2010年10月、安達朱鳥プロデュースの「エンジェルプロジェクト」という名義で結成され、11月16日に行われた「Girls Stream!Bubbles!!」でお披露目。（ライブデビューは11月27日）2011年4月2日に行われた「Girls Stream!Bubbles!!Vol.5」花園まゆが卒業。4月12日、愛乙女★DOLLオフィシャルブログ(仮)がスタート。5月14日に行われた「鎌田紘子Presents アイドル☆百花繚乱 Vol.2」にて岩崎夢生、芦崎麻耶がお披露目。2012年7月31日に行われた定期公演にて、休業中の管野まりなのアンダーとして四期研究生のハルナ、都築かながお披露目。8月12日に行われた「管野まりな卒業公演」にて、管野まりなが卒業。9月2日に行われた「主催ライブ」にて、岩田あかねが卒業。2012年9月11日に行われた定期公演にて、四期研究生として加入した佐野友里子がお披露目。12月30日に行われた２マンライブにて、四期研究生ハルナ、都築かな、佐野友里子の正規メンバー昇格が発表された。2013年4月13日に行われた「3rdワンマンライブ」にて、リーダーを愛迫みゆから岩崎夢生に交代することが発表された。2014年1月22日に行われた定期公演にて、4月9日に日本クラウンからメジャーデビューすることが発表された。2015年4月4日に行われた昼公演「新メンバーお披露目ライブ2015」にて、太田里織菜、佐倉みき、中川梨来、吉橋亜理砂がお披露目。夜公演「岩崎夢生卒業ライブ」にて、２代目リーダー岩崎夢生が卒業。5月5日に行われた「芦崎麻耶・都築かな W(ダブル)卒業ライブ」にて、芦崎麻耶、都築かなが卒業。2015年5月8日、アソビシステムとアイドル横丁が設立した新レーベル『FUJIYAMA PROJECT JAPAN』へ移籍。2016年3月24日に行われた5周年記念ツアーファイナル公演にて、「愛乙女★DOLL」という名称から★（黒星）を☆（白星）に変えた「愛乙女☆DOLL」に改名すると発表。2016年7月18日、新メンバーとして安藤笑が加入することが発表され 、8月5日の「TOKYO IDOL FESTIVAL2016」HOT STAGEでお披露目。2016年9月13日に行われた定期公演にて、佐野友里子が2015年4月4日の岩崎夢生卒業ライブ以降不在となっていたリーダーになることが発表された。2016年12月17日に行われた「Jewel Beat!! 2016 Winter」にて2017年からの新体制として、中川梨来がじぇるの！に、吉橋亜理砂がAnge☆Reveに移籍することと６期研究生朝比奈花恋が正規メンバー昇格することが発表された。2017年1月21日に開幕したアイドル対抗フットサルリーグ『バロンiドール杯』に参加（のちにFCアークジュエルとしての参加に変更）。2017年1月23日に行われた「愛乙女☆DOLL８人ラスト公演 」にて、吉橋亜理砂、中川梨来が卒業とともに移籍。2017年1月27日、太田里織菜がヤングアニマルの2017年YAグラ姫準グランプリを受賞。2月7日、DMMにて授賞式が行われた。2017年3月10日から3月20日までの期間限定ユニットとして佐野、ハルナ、佐倉、安藤、朝比奈の5名による『L☆5(from愛乙女☆DOLL)』が結成された。2017年4月2日に行われた「Jewel Beat!!2017」にて、24ヶ月連続ワンマンライブ開催することが発表された。2017年11月7日、バロンiドール杯2ndシーズンに1stシーズン初期と同じく愛乙女☆DOLLとして参加。2017年12月1日に行われた「DEARSTAGE SHOWCASE 2017 WINTER」にて、翌年1月1日よりディアステージ所属となることが発表された。2018年4月15日に行われた「Lovely Fighter!!vol.13 新横浜編」にて、『L☆5(from愛乙女☆DOLL)』が１曲披露した。2018年6月10日に行われた「Lovely Fighter!!〜Road to Brand-New-Stage〜７つの星が描く軌跡vol.15福岡編」にて、朝比奈花恋が卒業。2018年8月5日に行われた「TOKYO IDOL FESTIVAL2018」最終日のSMILE GARDENにて、安藤笑が卒業し、新グループJewel☆Cielに移籍。2019年2月9日に行われた「ArcJewelバレンタインライブ2019」にて、初期メンバーとして活動してきた愛迫みゆが卒業することを発表した。2019年6月4日、24カ月連続ワンマンライブ企画で披露した新曲16曲が収録されたアルバム「Lovely Fighter!!」をリリース。2019年6月16日に行われた「ハルナバースデーライブ2019」にて、ハルナが本名の「日向春菜（ひなた はるな）」に改名することが発表された。2019年7月1日に行われた「愛乙女☆DOLL愛迫みゆ卒業ライブ」にて、愛迫みゆが卒業。サプライズゲストに芦崎麻耶が出演。2019年7月29日、SHOWROOM配信にて、前田美咲、星凪桃佳をお披露目。