《秒速5厘米》整体剧情分为三部分，第1话《樱花抄》讲述了童年时期青梅竹马的远野贵树（ 水桥研二 配音）和篠原明里（ 近藤好美 配音）相互陪伴，共同成长，许下约定，并在久别重逢时互诉爱意。第2话《宇航员》以对远野贵树爱慕有加的中学同学澄田花苗（ 花村怜美 配音）的视角来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的坚持与努力和两人相处中的点点滴滴。第3话《秒速5厘米》则刻画了贵树和明里两人长大后的不同生活轨迹和内心的种种彷徨与迷茫，以及两人的再次相遇。远野贵树在小学三年级时因父母调职而从长野转学到东京某小学，一年后在这所学校认识了同为转校生的篠原明里。两人都因体弱多病，性格内向，不擅长社交和运动，而喜欢经常待在图书馆。久而久之，贵树与明里两人逐渐熟络起来，在相处过程中也发现彼此有着许多相似的兴趣爱好，虽然年龄尚小，但他们之间还是相互吸引，渐渐地彼此产生好感。在落英缤纷、阳光明媚的春天里，两人嬉戏打闹，无话不谈。在十岁那年，贵树和明里共同许下约定，要报考同一所中学。天真稚嫩的两个少年始终坚信，两人的约定终会实现。但少年的约定却在生活的变迁面前显得不堪一击，明里因搬家而无法继续在东京读书。栃木和东京两地间的距离对于少年少女显得格外遥远，此后的一段日子里，贵树和明里都在努力适应着没有彼此的日子，可少年的感情是热烈而难以压抑的，明里在分别了半年后终于忍不住向贵树寄来了第一封信。两人因这封信再次建立起联系，彼此将心意和情感写进信里，并约定好了下次见面的时间。时隔一年后的相会，贵树费尽心思去筹划，他将写满自己心意的信放进包里，打算亲手交给明里。可似乎是上天的捉弄，计划中的列车接连晚点，那封写满心意的信也散落在了风雪之中……正当贵树从那班晚点四个多小时的列车走下，心灰意冷之时，却意外发现明里依旧在候车室等他，站在樱花树下的两人交换了初吻，一切仿佛又回到了青梅竹马的那段时光。可当两人隔着车玻璃告别的时候，仍旧十分不舍，还夹杂着些许不安与失落。那一年，他们十三岁。远野贵树转学到鹿儿岛的中学，一直与明里保持着书信往来，但距离的变化和学业的压力，使两人的联系也逐渐减少。中学二年级的澄田花苗在贵树第一天转校来到自己班级时，就对他颇有好感，此后一直默默关注和喜欢着他。无论是上课时还是放学后，花苗总是想办法接近贵树，甚至在带狗在海边散步时，都会在视线的一角寻找贵树的身影。性格内向的花苗一直没有向贵树表明心意，而是为了能够跟他考上同一所高中而刻苦努力，最终也如愿以偿的成为了贵树的高中同学。但在贵树看来，花苗从始至终只是他要好的朋友，心中的那个位置一直属于明里。不知从何时开始，贵树对自己的未来也开始感到迷茫，他时常做着相同的梦，梦里像是在外太空，那里有着注视着自己的遥远的她，还有腾空而起的外太空探索飞行器，这一切都给他一种莫名的亲切感……