Seorang gadis yang sakit parah bernama Himari Takakura secara ajaib terselamatkan dari kematian oleh sebuah roh aneh yang bersemayam dalam sebuah topi berbentuk penguin.
Namun, sebagai bayaran untuk memperpanjang hidupnya, sang roh memberikan tugas kepada dua saudara Himari, Kanba dan Shoma, untuk mencari sebuah benda yang dikenal sebagai Penguindrum dengan bantuan dari trio penguin aneh.
