《内衣战士玫瑰蝴蝶》TV动画将舞台设定在OVA故事结束一年之后。曾经的新宿歌舞伎蝶“内衣战争”以毁灭性打击告终，内衣酒吧“蝴蝶”的老板被迫搬迁至秋叶原，开起了一家名为“新蝴蝶”的COSPLAY浴室。失去记忆的女主角们仿佛受到命运的牵引，陆续聚集到这个新的落脚点，同样没有记忆的同伴阿妮和雫也来到秋叶原，开始了一段平静却暗藏波澜的新生活。然而安宁并未持续太久。企图侵略地球的宇宙人斯萨诺奥一族突然现身，他们利用宇宙人祖先遗留的UMA（未确认生物）遗物，开创出合成怪人，对秋叶原的街道展开疯狂蹂躏。面对突如其来的威胁，少女们在危机中逐渐取回失去的记忆，重新觉醒为“蝴蝶”战士。她们再次集结，以“新蝴蝶”为据点，投身于与斯萨诺奥一族的激烈战斗之中，守护秋叶原与地球的和平。