国際機密企業チャーリー・タウンゼント社で特殊訓練を受けたエリート女性エージェント組織、通称“チャーリーズ・エンジェル”は、世界各地に拠点を置き、平和を見守る天使＝“エンジェル”として隠密に活動している。姿を見せないチャーリーに代わり、ボスレー（エリザベス・バンクス）が彼女たちにミッションを与える。新たにハッキングやプログラミングを得意とするエレーナ（ナオミ・スコット）がスカウトされ、3人になったエンジェルたち。そのしなやかな肉体であらゆる武器を自在に操る元MI6のジェーン（エラ・バリンスカ）、変装のプロであるサビーナ（クリステン・スチュワート）に加え、新人エレーナが一流エージェントへの道を歩み始めたとき、新開発のエネルギーが兵器化されるという情報が入る。新生エンジェルたちはそれを阻止すべく、命懸けのミッションに挑む。