2016年日本的首都圈突然出现巨大的茧。从初次确认以来已经过了数月，其正体仍未判明，人们将这正体不明的茧称作Phenomenon。唯一能够明白的是被吸收到Phenomenon内侧的人们会开始发狂并互相残杀。
明知无法一生都和姐姐在一起，但祐太却仍然抑制不住内心的沮丧，虽然逐渐减少了和姐姐的联系，但姐姐的一举一动还是被祐太看在眼里。所以当小鸟游夫妇在飞机上不幸遇难的消息传来后，祐太毫不犹豫的收养了小鸟游家的三个可怜的女孩。个性害羞又很傲娇的小鸟游空（上坂堇 配音）；年龄虽小，但异常成熟懂事的小鸟游美羽（喜多村英梨 配音）；惧怕生人但格外信任祐太的小鸟游雏（五十岚裕美 配音）。大家都是曾经失去了父母的孩子，这四人能否组建一个幸福的家庭呢？
当芭洛特再次醒来，发现自己正置身于传说中的禁忌科学诞生之地——“乐园”实验室，再次她见识了许多奇怪的发明，并了解到“乐园”和三博士的过去。经过一番追查，她终于得知榭尔（中井和哉 配音）的记忆正藏在卡西诺赌场的一枚筹码之中。为了追查榭尔的过去，芭洛特化装成赌客走入凶险的赌场…… 本片根据冲方丁的科幻小说改编，为“壳中少女”三部曲中第二部（另两部分别为“压缩”和“排气”）。
