昔懐かしいパロディネタのオンパレードで、元ネタを知っていれば楽しさも倍増。各話のエンディング曲は名作のテーマソングをカバーしているため聞き逃せない！
いつからか、歴代の腐女子な生徒たちが放課後にたむろうための部活となってしまった、海老栖川高校天文部。通称"天悶部"。そんな天文部への入学を希望してしまった野矢一樹の、個性的なオタク女子部員たちに囲まれた受難の日々が幕を開ける。
公立海老栖川高校の天文部に入部をしようとした、野矢一樹。しかしそこは、ふ女子が集まる天“悶”部だった。そうとも知らず、一樹はトラブルメーカー・戸田山響子によって一風変わった入部試験を強いられる。
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ある日、公立海老栖川高校に通う可憐なふ女子・金森羽片は、登校中に額にばんそうこうを貼った猫先生と遭遇する。恐る恐る剥がした額のばんそうこうの下に隠れていた猫先生の秘密を知ってしまった金森の運命は...。
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ある日、謎のメイド、エリザベス・マーガレットがどこからともなく海老栖川高校に侵入してきた。響子は天悶部の部室にまで侵入しようとしたエリザベスを簡単に捕獲する。彼女は天悶部に誰かを捜しにきた様子で...。
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天悶部内で唯一の常識人・廣松理圭。普段はクールな性格だが、ネコを前にすると狂喜乱舞してしまうようで、猫先生にも悶絶する。時を同じくして海老栖川高校では、“連続女子生徒失神事件”が問題となっていて...。
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依然として、校内で目的の人物を捜し続ける戸田山泉子。彼女は何か手掛かりを持っているはずの響子に再三詰め寄るが、何も教えてくれない。激しく対峙する2人の前に、偶然ある人物が通りがかり...。
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天悶部を廃部に追い込もうとする生徒会長・伊勢田結花。実は、彼女は天文部設立時のメンバーで、しかも部長だった。伊勢田が廃部に追い込もうとする理由、副部長・大庭蓮實と元部長・伊勢田の過去が明らかに...。
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バンド活動を始めたものの、すぐに飽きてしまった天悶部。次にカメラでプロモーションビデオ撮影を初め、逃げだした猫先生の後を追跡することに。すると、向かった先には天悶部の顧問である大森荘子先生の姿が...。
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突如、一樹が変貌を遂げ、彼の力の前に天悶部員たちは次々と倒れていく。1度、退散して次の対策を練る響子たちは、何とか対抗手段を見つけて理科室に向かうが、一樹の力の犠牲になった女子生徒たちが行く手を阻む。
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泉子を人質にしたまま、一樹はいろんな意味で本当の力を露わにする。駆けつけた天悶部員たちは、泉子の薬によって幼女にされてしまう。絶体絶命かと思われたその時、大森先生とその“ダーリン”が現れ...。
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ようやく日常に戻った海老栖川高校。学園祭の準備が始まり、天悶部も泊まり込みで準備を進めていた。黙々と深夜まで作業を続けている一樹のそばには、泉子の姿があった。寄り添う2人は、過去へと思いをはせる。
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