Naota Nandaba é um garoto quieto e emburrado de 12 anos, que mora numa cidade chamada Masabe - uma cidade mediana comum, como as muitas que existem no Japão. A diferença é que no topo de um morro fica a misteriosa e enorme fábrica Medical Mechania, que tem a forma de um ferro de passar roupa. O irmão mais velho de Naota foi para os Estados Unidos jogar beisebol, deixando para trás a namorada, Mamimi Samejima, de 17 anos. O relacionamento com o irmão mais novo de seu namorado é, no mínimo, estranho: eles se encontram regularmente embaixo de uma ponte, e sempre rolam uns amassos entre os dois. Mamimi jura que ainda ama o seu namorado, mas não é o que aparenta quando ela está com Naota.
Atormentado pela culpa e pelo desejo, mais leves dores de cabeça, os problemas de Naota estão apenas começando: surge a motoqueira e guitarrista de 19 anos Haruko Haruhara, que começa a perceguir o ele, até ir morar na mesma casa trabalhando como empregada doméstica. Ela diz que é uma alien, e que está seguindo Naota porque ele possui uma relação com a Medical Mechania.
Mas naquela noite, em mais um encontro na ponte com Mamimi, algo surpreendente acontece: um robo sai da cabeça de Naota, e traz junto um braço que parece ser de outro robo ainda maior! Depois de uma luta violenta, o robo consegue destruir o braço mecà¢nico, e passa a morar junto com Haruko, Naota e sua família.
A garota "alien" explica a Naota que ele, literalmente, é um cabeça-oca: no lugar do cérebro existe um portal dimensional. E como um garoto de 12 anos pode continuar vivo sem cérebro, e ainda por cima com outras coisas saindo de tempos em tempos de sua cabeça, é algo que os primeiros capítulos da série não explicam. Haruko diz ainda que Kanchi, o robo com cabeça de TV que saiu da cabeça de Naota, foi produzido pela Medical Mechania e que fugiu de lá através do portal dimensional de dentro de sua cabeça.
A partir daí o relacionamento entre os personagens fica mais complicado e maluco, e os mistérios vão deixando o expectador curioso. Mas o anime explica bem tudo.