A história é focava em Rito Yūki, um garoto com poucos amigos na escola, que mora sozinho com a irmã porque os pais estão sempre viajando e que nutre um amor por uma de suas colegas de classe. Assim, sempre que ele tenta se declarar para ela, algo acontece para impedir — por exemplo, ele ser atingido por uma bola de futebol ou por um vaso que cai de uma janela, e até mesmo ser atropelado por um ônibus ou por uma manada de elefantes saída sabe-se lá de onde.
Em uma noite, enquanto ele descansa em sua banheira, a água começa a borbulhar e a soltar faíscas azuis, ele coloca os braços à sua frente para se proteger. Eis que ele vê uma menina completamente nua à sua frente, e suas mãos estão tocando os seios da garota. Passada a confusão do momento, a garota, que diz se chamar Lala, mostra a ele seu robô, que pode se transformar em qualquer coisa. O robô, então, se transforma em uma roupa para ela, dois homens invadem a casa de Rito. Lala diz que eles a estão perseguindo e ele a ajuda a fugir. Porém, ele descobre que eles trabalham para o pai dela, um rei alienígena do planeta Deviluke. Ela estava fugindo pois era forçada a um casamento que não queria. Ele a ajuda a fugir dos homens e Lala acaba usando uma de suas invenções — que, a propósito, nunca dão certo — para escapar dos perseguidores.Assim, o pai dela a deixa ficar na Terra, desde que, para tanto, Rito se case com ela. O garoto diz que não, mas o comandante Zastin, que deve cuidar de Lala, diz que o fato de ele pegar nos seios dela significa, em Deviluke, um pedido de casamento. Porém, para que Lala possa se casar com Rito e ficar na Terra, ele deve primeiro mostrar que é capaz de protegê-la; assim, se outros pretendentes aparecerem, ele deve derrotar todos. Mas não são poucos os pretendentes de Lala, filha do maior soberano espacial, o rei de Deviluke. E assim, Rito tem que enfrentar pretendentes alienígenas furiosos para proteger sua futura noiva. E, claro, cada pretendente é mais bizarro que o anterior.
Um fato sobre Lala é que ela tem uma cauda preta e comprida que, toda vez que é tocada, a deixa excitada. Aos poucos, ele começa a sentir algo pela alienígena de cabelos rosados e fica dividido entre Haruna, a garota que sempre amou, e Lala, sua noiva alienígena. Só que, como em outros animes do estilo, outras personagens começam a se apaixonar por Rito. A própria Haruna começa a sentir algo por ele, mas não pode confessar seus sentimentos, já que Lala, que se torna sua amiga, o ama. Yui, da mesma sala de Rito, vive brigando com ele por que o considera pervertido e abusado. Mas, aos poucos, ela também começa a nutrir um sentimento por ele. Há também Saki Tenjōin, uma garota rica e mimada que faz de Lala sua rival por conta da popularidade da alienígena, que começa a estudar na mesma escola de Rito.
Fora isso, Rito tem que lidar com Ren Elsie Jewelria, um dos pretendentes de Lala que, após fracassar em uma de suas tentativas, decide permanecer na Terra para enfrentar Rito. Porém, Ren tem a habilidade de se transformar física e mentalmente em um ser do sexo oposto, sendo esta a versão feminina dele, Run Elsie Jewelria, que é perdidamente apaixonada por Rito. Mas ele só consegue se transformar quando espirra. Também aparece Oshizu Murasame, uma garota que morreu há 400 anos no antigo prédio da escola, e que agora assombra o lugar como fantasma.
E, como se a situação não estivesse ruim o bastante, ele tem que se preocupar com uma alienígena mercenária que quer a todo o custo matá-lo e que pode transformar qualquer parte do seu corpo em armas letais. No meio de tudo isso, conseguirá Rito ficar com Haruna, a garota que ama, mesmo que isso signifique ter que deixar Lala para sempre? O título do anime se refere à pronúncia japonesa da palavra americana trouble, o que combina perfeitamente com o anime. O anime é muito bom, principalmente para aqueles que gostam de comédia, um ficção cientifica e muito, muito ecchi! Mas To Love-Ru conta com um pouco de tudo, desde cenas de lutas até uma perseguição espacial no primeiro episódio em uma clara referencia a Star Wars. Porém, não se enganem aqueles que acham que o anime é ecchi leve: tem ecchi até durante a abertura do anime!