Mawaru Penguindrum raconte l’histoire de 2 frères, Kanba et Shôma et de leur petite sœur Himari.
Ils vivent tous les trois, dans une modeste maison, avec très peu de moyens. Malgré les apparences qu’ils donnent de mener une vie paisible, Himari est atteinte d’une maladie mortelle. D’après le médecin, il ne lui reste à peine que quelques mois à vivre.
Les deux frères, conscients du destin tragique de leur petite soeur, font tout pour la rendre heureuse durant ses derniers instants.
Ils l’emmènent donc, à l’aquarium, voir les pingouins. Alors que Shôma achète un cadeau à Himari, celle-ci disparait. Les deux frères finissent par la retrouver au sol, inconsciente. Elle est immédiatement amenée à l’hôpital, mais malheureusement, elle y décède.
Les deux frères, sous le choc, restent alors près du corps de Himari et commencent à se disputer.
C’est alors qu’un miracle a lieu. Une mystérieuse entité prend possession du chapeau de Himari et propose un marché à Kanba et Shôma : la survie de leur sœur contre un secret gardé par une certaine Ringo…