La musica della serie è composta da Hiroyuki Sawano. Per i primi quindici episodi, la sigla di apertura è "Sirius" (シリウス, Shiriusu) di Eir Aoi, mentre la sigla finale è Gomen ne, Iiko ja Irarenai (ごめんね、いいコじゃいられない。, "Sorry, I'm Done Being a Good Kid") di Miku Sawai. A partire dall'episodio 16, la sigla di apertura è "ambigua" di Garnidelia, un duo composto dalla cantante Maria e dal compositore Toku, mentre la sigla finale è "Shin Sekai Kōkyōgaku" (新世界交響楽, "New World Symphony") di Sayonara Ponytail, sebbene una versione estesa della sigla finale originale ritorni nell'ultima parte dell'episodio 24. La canzone di Aoi "Sanbika" è stata utilizzata come canzone immagine per accompagnare gli eventi culminanti negli episodi 3, 7, 11 e 23.
Il primo album della colonna sonora è stato pubblicato il 25 dicembre 2013. Aniplex USA ha pubblicato il CD il 17 gennaio 2014. Contiene 18 tracce, tra cui sei canzoni vocali eseguite in inglese e tedesco. I brani musicali di sottofondo presentano titoli che sono varianti tipografiche di "Kill la Kill".
Il secondo album della colonna sonora è stato pubblicato in Giappone come parte del quinto DVD/Blu-ray il 7 maggio 2014. Contiene anche versioni "Kara-OK" (空OK, karaoke) delle tracce vocali del primo album, oltre ad altre musiche di sottofondo.
Ryuko Matoi, una studentessa vagabonda in trasferimento armata di uno spadone a forma di forbice in grado di tagliare le uniformi di Goku, arriva a Honnō City per trovare l'assassino di suo padre Isshin Matoi. La sua ricerca la porta a iscriversi all'Accademia Honnouji, un liceo militarista governato dalla presidentessa del consiglio studentesco Satsuki Kiryuin e dai suoi Quattro Elite grazie al potere di un tessuto chiamato Fibre di Vita. Dopo un tentativo fallito di sfidare Satsuki il primo giorno, Ryuko si imbatte in un'uniforme da marinaio senziente in un complesso sotterraneo sotto le rovine della casa di suo padre. La ragazza chiama l'abito "Senketsu", ma in seguito scoprirà che si tratta di un indumento in pura fibra vitale chiamato Kamui (神衣) che aumenta le sue capacità quando è trasformato.
Satsuki risponde indossando il Kamui Junketsu della sua famiglia con grande rischio per il suo benessere, accettando la sfida di Ryuko se riuscirà a sconfiggere i presidenti dei club studenteschi a due stelle che la prenderebbero di mira. Ryuko viene affiancata dalla sua iperattiva compagna di classe Mako Mankanshoku, una studentessa senza stelle che permette a Ryuko di trasferirsi dalla sua famiglia povera, e dal suo insegnante di classe Aikuro Mikisugi, che in realtà è un agente sotto copertura dell'organizzazione paramilitare anti-Fibra della Vita Nudist Beach (ヌーディスト・ビーチ, Nūdisuto Bīchi).
In seguito, Ryuko ha la possibilità di affrontare Satsuki quando riorganizza il consiglio studentesco attraverso una battaglia reale e un evento di tipo king-of-the-hill noto come Elezione dei Naturali, che le impone di sconfiggere prima ogni membro dell'Elite Four di Satsuki. Ma l'evento viene interrotto da Nui Harime, un membro della corporazione globale REVOCS (REVOCSコーポレーション, Ribokkusu Kōporēshon) gestita dal direttore dell'accademia e madre di Satsuki, Ragyo Kiryuin. Harime si rivela come l'assassino di Isshin mentre rivela l'altra lama a forbice, provocando in Ryuko una rabbia che provoca una fusione instabile tra lei e Senketsu, che quasi la uccide. Viene fermata e disinnescata dal suo Kamui solo grazie all'intervento di Mako. Ryuko diventa riluttante a indossare la Senketsu subito dopo aver appreso che Satsuki l'ha usata per perfezionare le uniformi di Goku per l'imminente Raid delle scuole di Tri-City. Harime, dopo essere stata bandita dall'accademia, inganna Ryuko e le fa indossare nuovamente la Senketsu prima di fare a pezzi il Kamui, scacciato da Satsuki prima che potesse uccidere Ryuko. Mentre Satsuki inizia il Raid delle Scuole Tri-City per annettere le restanti scuole indipendenti del Kansai, il cui vero scopo è individuare e distruggere la base di Nudist Beach, Ryuko la segue per recuperare i pezzi del corpo di Senketsu che Satsuki ha dato ai suoi subordinati.
Ryuko riesce a ripristinare Senketsu ma non riesce a fermare l'agenda di Satsuki, apprendendo da Mikisugi che suo padre ha fondato Nudist Beach e ha creato Senketsu dal DNA di Ryuko per combattere le Fibre Vitali, rivelatesi alieni parassiti che hanno avuto un ruolo nell'evoluzione dell'umanità per poi nutrirsi. Ryuko e Nudist Beach assaltano il festival dell'Accademia Honnouji organizzato in onore di Ragyo prima che quest'ultima risvegli le Fibre Vitali, solo per assistere all'aggressione di Satsuki nei confronti di sua madre che le rivela che il suo vero obiettivo è quello di distruggere la minaccia delle Fibre Vitali per vendicare suo padre e sua sorella minore, morta a causa degli esperimenti condotti da Ragyo. Ma il piano di Satsuki va a rotoli quando Ragyo, che ha rivelato di essersi trasformata in un ibrido umano/Fibra di Vita e di aver ordinato l'omicidio di Isshin, la cattura ordinando ai Covers di consumare tutti gli umani presenti. La Nudist Beach, la famiglia Mankanshoku e la cerchia ristretta di Satsuki sono costretti a ritirarsi mentre Ragyo rivela che Ryuko è la sua figlia abbandonata, cresciuta dall'ex marito Sōichirō Kiryuin sotto le sembianze di Isshin. Ryuko entra in coma poco dopo, poiché Ragyo ha rimosso con la forza il cuore di Ryuko dal suo petto per confermare i loro legami familiari.
Un mese dopo, Ragyo e le Fibre Vitali hanno devastato il Giappone mentre gli Elite Four e Nudist Beach salvano Satsuki e Mako. Ma un'amareggiata Ryuko, risvegliatasi dal coma e abbandonata dai suoi amici con la convinzione di essere un mostro, subisce il lavaggio del cervello e si lega a Junketsu per inseguirli. Ma Satsuki, Mako e Senketsu riescono a liberare Ryuko che ottiene l'altra Scissor Blade e amputa le braccia di Harime, mentre Junketsu viene modificato per essere più sottomesso a Satsuki. Ryuko e Satsuki procedono a intercettare Ragyo prima che lei e la Fibra di Vita Primordiale, la fonte di tutte le Fibre di Vita, possano raggiungere l'Accademia Honnouji per lanciare un segnale di comando a un satellite affinché tutte le Fibre di Vita coprano il pianeta e lo distruggano come parte del loro ciclo vitale. Ma Harime completa lo Shinra-Kōketsu con la segretaria di Ragyo, Rei Houmaru, offerta in sacrificio per attivarlo, consentendo a Ragyo di comandare tutte le Fibre Vitali pure, mentre solo Ryuko e Senketsu non ne risentono in quanto ibridi.
Gli eroi distruggono il trasmettitore ed estraggono Rei da Shinra-Kōketsu, solo che Ragyo ripristina il suo potere assorbendo Harime e la Fibra di Vita Primordiale mentre sale nello spazio per impartire manualmente il comando. Ma Ryuko insegue la madre dopo che tutti hanno offerto le loro Uniformi di Goku per potenziare Senketsu, riuscendo a far assorbire a Senketsu lo Shinra-Kōketsu per revocare l'ordine. Sconfitto, un Ragyo sfiduciato si suicida promettendo che le Fibre Vitali un giorno attaccheranno di nuovo la Terra. Nonostante la vittoria, Senketsu inizia a cedere a causa dell'assorbimento di Shinra-Kōketsu e usa le sue ultime forze per garantire il ritorno di Ryuko sulla Terra, sacrificando la sua vita.
Nell'episodio OVA successivo, ambientato due settimane dopo la battaglia con Ragyo, Rei Houmaru usa le fibre vitali avanzate per creare dei doppelgänger di Satsuki e degli Elite Four in Junketsu e con le loro uniformi originali di Goku per disturbare la cerimonia di consegna dei diplomi dell'Accademia Honnouji e vendicare Ragyo. Ma i cloni vengono sconfitti mentre Satsuki convince Rei ad abbandonare la sua lotta mentre Ryuko usa le Lame a Forbice per terminare l'Accademia Honnouji. La scuola viene chiusa durante l'affondamento di Honnō City e tutti se ne vanno a vivere una vita normale: Satsuki chiede agli studenti, agli Elite Four, a Iori, a Rei e a Mitsuzo di dare l'ultimo saluto alla scuola mentre Ryuko parte con Mako e la sua famiglia.