В центре сюжета аниме «Похотливая Ао не может учиться» находится юная Ао-чан, старшеклассница, чья жизнь и мировоззрение полностью извращены невольным влиянием её отца – известного автора эротических романов. С самого детства Ао была окружена миром взрослой литературы, что сформировало у неё необычайно циничное и тревожное отношение ко всему, что связано с романтикой и мужчинами. Она воспринимает любые проявления внимания со стороны противоположного пола как нечто пошлое и низменное, видя в каждом парне потенциального "извращенца", чьи мысли направлены исключительно на физическую близость. Этот глубоко укоренившийся страх и предубеждение становятся непреодолимым барьером на пути к нормальной школьной жизни и, что самое главное, к первой любви.

Когда в её классе появляется новый ученик, Кадзуки Миямура, милый и, казалось бы, совершенно обычный парень, жизнь Ао-чан переворачивается с ног на голову. Его искреннее, но порой неуклюжее внимание вызывает у неё неловкость и панику. Ао изо всех сил старается игнорировать возникающие у неё самой чувства и ухаживания Кадзуки, интерпретируя каждое его действие через призму отцовских романов. Она убеждена, что все его комплименты и попытки сблизиться имеют скрытый, "похотливый" подтекст. Эта внутренняя борьба между подростковыми гормонами, естественным желанием быть любимой и иррациональным страхом превращает её повседневность в череду комичных, нелепых и порой душещипательных ситуаций. Ао-чан постоянно находится в состоянии тревоги, пытаясь "расшифровать" намерения Кадзуки, что мешает ей сосредоточиться на учёбе и нормальных отношениях. Сериал исследует её путь к пониманию истинной природы любви, разрушению стереотипов, навязанных окружением, и осознанию того, что настоящая привязанность намного сложнее и чище, чем самые откровенные страницы отцовских бестселлеров. Сможет ли Ао преодолеть свой страх и наконец-то испытать первую, искреннюю любовь?