《玩伴猫耳娘》围绕着主角天河优人展开。优人是个普通高中生，某天父亲突然带回一个女孩，她叫野井原绯鞠，有着猫耳和猫尾，是被称为“猫耳娘”的生物。绯鞠的任务是保护优人，因为优人身上有着特殊的能力，这引来了各方势力的觊觎。在相处过程中，优人与绯鞠的关系逐渐升温，同时也结识了其他同样拥有特殊能力的猫耳娘，如桐谷华音等。他们一起经历了各种有趣又刺激的事件，有校园生活中的小打小闹，也有与邪恶势力的激烈战斗。在一次次的冒险中，优人不断成长，与猫耳娘们的羁绊也越来越深。