《秒速5厘米》的剧情分为三部分。第1话《樱花抄》围绕童年时期的远野贵树（水桥研二 配音）和篠原明里（近藤好美 配音）展开，两人相互陪伴、共同成长，许下约定，久别重逢时还互诉了爱意。第2话《宇航员》以中学同学澄田花苗（花村怜美 配音）的视角，展现贵树与明里分别后的中学生活，讲述了花苗为追赶贵树脚步所做的坚持与努力，以及两人相处的点滴。第3话《秒速5厘米》刻画了贵树和明里长大后不同的生活轨迹，还有他们内心的彷徨与迷茫，以及两人的再次相遇。 远野贵树小学三年级时，因父母调职从长野转学到东京的一所小学。一年后，他在这所学校结识了同样是转校生的篠原明里。两人都体弱多病、性格内向，不擅长社交和运动，常待在图书馆，逐渐熟络起来。相处中，他们发现彼此兴趣爱好相似，虽年纪小，却相互吸引、互生好感。在阳光明媚、樱花飘落的春天，他们嬉戏玩耍、无话不谈。十岁那年，贵树和明里约定报考同一所中学，天真的他们坚信约定会实现。然而，生活的变迁让这个约定不堪一击，明里因搬家无法继续在东京读书。栃木和东京的距离对他们而言格外遥远，之后一段时间，贵树和明里努力适应没有彼此的日子。但少年的感情热烈难抑，分别半年后，明里忍不住给贵树寄了第一封信，两人因此重新建立联系，将心意写进信里，还约定了下次见面的时间。 时隔一年的相会，贵树精心筹划，把写满心意的信放进包里，打算亲手交给明里。可上天似乎在捉弄他们，列车接连晚点，信也散落在风雪中。当贵树从晚点四个多小时的列车上下来，心灰意冷时，却发现明里仍在候车室等他。站在樱花树下，两人交换了初吻，仿佛又回到了青梅竹马的时光。但隔着车玻璃告别时，他们满是不舍，还有些许不安与失落。那一年，他们十三岁。 远野贵树转学到鹿儿岛的中学后，一直和明里保持书信往来，但距离和学业压力让两人联系渐少。中学二年级时，澄田花苗在贵树转校到自己班级的第一天就对他有了好感，此后一直默默关注和喜欢着他。上课时、放学后，花苗都想办法接近贵树，就连带狗在海边散步时，也会在视线一角寻找贵树的身影。性格内向的花苗没向贵树表明心意，而是为了和他考上同一所高中刻苦努力，最终如愿成为贵树的高中同学。可在贵树心中，花苗只是好朋友，明里始终占据着那个特殊的位置。不知从何时起，贵树开始对未来感到迷茫，他常做同一个梦，梦里像是在外太空，有遥远注视着自己的她，还有腾空而起的外太空探索飞行器，一切都让他感到莫名亲切。