Kemeko Deluxe! é uma comédia romântica e de ação que gira em torno de um estudante do ensino médio chamado Sanpeita Kobayashi, que é surpreendido pela aparição repentina de uma misteriosa e pequena robô chamada Kemeko. Enquanto tenta levar uma vida normal, Sanpeita descobre que Kemeko está lá para protegê-lo de uma organização sinistra que deseja explorar uma misteriosa substância dentro dele. Ainda mais bizarro é que Kemeko, por vezes, revela ser controlada por uma bela garota que afirma ser sua noiva. Juntos, eles enfrentam várias ameaças, desvendando segredos sobre a substância e a verdadeira identidade de Kemeko.