Tokyo - 1 luglio 1983, quartiere di Kurimigaoka. Yū Morisawa, bambina vivace, fantasiosa e piena di sogni, grazie a queste sue qualità riesce a scorgere nel cielo un'arca di cristallo, che pochissime altre persone al mondo sembrano riuscire a vedere. Il folletto Pinopino, proveniente dal pianeta Stella Piumata, per ringraziare Yū di aver liberato l'arca da una tempesta di sogni, le dona un medaglione magico (a forma di portacipria) che le consentirà di avere poteri fantastici. Questo regalo, l'avverte Pinopino, dovrà essere restituito dopo un anno. Lo strano esserino lascia sulla Terra anche due creature della Stella Piumata, Posi e Nega, dalle sembianze di due piccoli gattini, che veglieranno su Yū e l'aiuteranno ad usare i suoi nuovi poteri.
La sera stessa Yū prova ad usare i poteri dello strano medaglione dal quale, seguendo le indicazioni di Posi e Nega, estrae una bacchetta con cui, tramite la formula «pampulu-pimpulu-parim-pampùm, pimpulu-pampulu-parim-pampùm», si ritrova trasformata in una bellissima ragazza di 16 anni che, per una serie di vicissitudini, chiamerà Creamy Mami in omaggio al negozio di crêpe dei genitori, il Creamy crêpe.
Il giorno seguente, uscita di casa molto presto e trasformatasi nella bella adolescente, la ragazzina si imbatte casualmente sulla strada del produttore discografico Shingo Tachibana (Jingle Pentagramma in Italia) che, rimasto folgorato dalla splendida ragazza, la trascina all'interno di un programma televisivo per cantare in sostituzione della cantante Megumi Ayase (Duenote Ayase) in ritardo sulla scaletta. È qui che Yū, costretta a scegliersi un nome, opterà per Creamy Mami. L'esibizione si rivela subito un successo e Yū, seppur non interessata affatto ad essere una celebrità, di fronte alle soffocanti preghiere del produttore, finirà per diventare esattamente quello che Tachibana aveva in mente: una icona della canzone pop giapponese sotto le vesti di Creamy Mami.
Yū inizia così una vera e propria doppia vita complicata dal fatto che, pena la perdita immediata dei poteri, non può rivelare a nessuno la sua doppia identità. È così costretta a mentire ai suoi genitori, Tetsuo (Filippo) e Natsume (Candida), e ai suoi amici tra cui Toshio, il ragazzo di cui è invaghita da sempre e che paradossalmente diventerà il fan numero uno della 'dolcissima Mami'.
La vicenda va avanti con un ritmo incalzante fino ad arrivare alla vigilia di Natale quando, durante la partecipazione di Mami al "NPB pops Festival" (il festival della canzone), Toshio assiste involontariamente alla trasformazione di Yū in Mami: Pinopino non aveva mentito e la bacchetta magica perde completamente i suoi poteri. La ragazza, pur riuscendo a vincere un premio speciale della giuria, è angosciata per non poter più tornare ad essere Yū e aver modo di ritornare a casa. Toshio, sconvolto a sua volta per ciò che ha visto si mette alla ricerca dell'amica riuscendo a raggiungerla. Posi e Nega nel frattempo tentano di mettersi in contatto con Pinopino facendo in modo che il "custode dell'arca" torni nei cieli di Tokyo per prelevare i due ragazzi da terra; il folletto spiega a Toshio che scoprendo il segreto di Mami ha acquisito automaticamente la possibilità di esprimere un desiderio: Toshio accetta così di far tornare Mami la Yū di sempre. Apparentemente la carriera della misteriosa cantante sembra così concludersi, fino a quando, il primo giorno del nuovo anno, Yū e Toshio vengono trasportati sulla Stella Piumata attraverso il medaglione magico che crea un varco interdimensionale tramite una pozzanghera. Pinopino comunica segretamente al ragazzo il suo intento di ridare a Yū i poteri magici a condizione che egli accetti di cancellare dalla sua mente il ricordo che Yū e Mami sono la stessa persona. Toshio acconsente alla rimozione di quella parte della sua memoria e Yū riacquista una nuova bacchetta (a forma di stella cadente) attraverso una vera e propria avventura fantasy. Il primo gennaio Mami riappare così al suo pubblico ricominciando a lavorare freneticamente fino a girare due film ed incontrando sulla sua strada nuovi intriganti personaggi.
Giunti vicini alla fine dell'anno concesso da Pinopino, Yū viene informata da Posi e Nega che Mami scomparirà esattamente la sera del 30 giugno iniziando così a faticare nel destreggiarsi a declinare gli impegni a lungo termine che Tachibana vuole fissare per lei. Mami riesce tuttavia a ottenere che il grande concerto per il suo primo anno di carriera venga fissato per il 29 giugno e precisamente proprio nel grande ippodromo centrale dove la bambina aveva ricevuto i poteri magici. Giunti al fatidico giorno, Mami canta tutte le sue canzoni dando il meglio di sé e proponendo, ad uno stadio gremito di persone, uno spettacolo fantastico. Ad una sola canzone mancante al termine della sua esibizione però, Pinopino richiama la ragazza sull'arca per riavere il medaglione, in quanto Toshio, nel frattempo, è riuscito a recuperare la memoria. Solo grazie alle pressanti richieste di Posi e Nega, ma soprattutto del pubblico reclamante la sua Idol nonostante una pioggia battente, Pinopino acconsente di far cantare a Mami la sua ultima canzone. Accompagnata da meravigliosi effetti magico-speciali creati dalla stessa arca, ma che la gente pensa siano opera della stessa regia, la magica ragazza canta la canzone del suo debutto terminando la performance con un congedo di addio al suo pubblico, sotto gli occhi esterrefatti del produttore Tachibana, il manager Kidokoro e dell'intero staff ignari del perché di quel saluto. Dopo aver detto ancora una volta a tutti grazie, Mami scompare in un arcobaleno di luci, lasciando un indelebile ricordo e una malinconia immensa. La serie animata si chiude con l'immagine di Yū e Toshio che, dopo aver visto ripartire l'arca, se ne vanno allontanandosi sotto la pioggia.
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