Mayoi Neko Overrun! Ceritanya berpusat pada Takumi Tsuzuki, seorang remaja yang tinggal di sebuah toko kue bernama Stray Cats, yang dikelola oleh kakak angkatnya, Otome Tsuzuki. Otome dikenal karena sering membantu orang yang membutuhkan dan memiliki kebiasaan aneh untuk “memungut” hal-hal yang dia temukan, termasuk kucing liar.
Suatu hari, Otome membawa pulang seorang gadis misterius bernama Nozomi Kiriya. Nozomi adalah seorang gadis pendiam dengan rambut panjang yang tidak memiliki tempat tinggal. Meskipun awalnya bingung dengan kehadiran Nozomi, Takumi dan teman-temannya di Stray Cats, seperti Fumino Serizawa (teman masa kecil Takumi yang tsundere) dan Chise Umenomori (gadis kaya yang manja), akhirnya menerima Nozomi dan memperlakukannya sebagai bagian dari keluarga.
