Mitsuha est une lycéenne qui vit dans la ville d'Itomori, dans la région de Hida. Elle travaille comme jeune fille au temple familial. Elle commence à avoir des rêves, où elle est un garçon vivant à Tokyo. Elle apprend qu'elle a écrit "Qui es-tu ?" sur un cahier. Taki est un lycéen qui vit à Tokyo. Il fait aussi des rêves où il est Mitsuha. Il apprend qu'ils peuvent changer de corps lorsqu'ils se réveillent. Ils commencent à communiquer entre eux. Taki laisse des notes dans le carnet de Mitsuha et Mitsuha laisse des mémos dans le téléphone de Taki. Ils changent de vie pendant ce temps.
Quand Taki est Mitsuha, il va avec la grand-mère et la soeur de Mitsuha dans un sanctuaire loin de la ville. Ils y laissent un kuchikamizake en guise d'offrande au dieu du village. La note de Mitsuha sur le téléphone de Taki indique à ce dernier qu'une comète passera au Japon dans le ciel. Taki se réveille dans son corps. Il essaie d'appeler Mitsuha sur son téléphone portable mais elle ne peut pas le joindre, avant que le corps ne s'éteigne. Taki, et ses amis, Miki et Tsukasa, arrivent dans la région, où ils apprennent que la ville a été détruite par une comète et que tous les mémos de Mitsuha ont été effacés du téléphone de Taki. Ils apprennent également que cinq cents personnes qui vivaient là ont été répertoriées. Pour renouer avec l'esprit de Mitsuha, Taki se rend au sanctuaire, boit sa bouteille de saké et finit par se souvenir de son passé.
Taki se réveille dans le corps de Mitsuha et apprend que leurs rêves vont s'évanouir. Mitsuha et ses amis prévoient d'aider tout le monde à évacuer la ville, en détournant la station de diffusion. Taki remarque qu'il est dans le corps de Mitsuha et Mitsuha dans le corps de Taki. Ils s'unissent au sanctuaire, mais ils sont à trois ans d'intervalle. Au crépuscule (kataware-doki), ils se voient. Ils essaient d'écrire le nom de l'autre sur leurs mains, mais Mitsuha disparaît et le crépuscule se termine. Taki ne se souvient plus de Mitsuha, après avoir récupéré son corps. Avant de retourner dans sa famille, Mitsuha se rend compte que ses souvenirs de Taki se sont effacés, et trouve une écriture qu'il a écrite "Je t'aime" à la place de son nom. Malgré l'évacuation réussie, la comète tombe à travers le Japon et détruit la ville, tandis que Taki se réveille à l'heure actuelle.
Cinq ans plus tard, Taki a obtenu son diplôme universitaire. Il fait des recherches sur l'histoire de la ville, et apprend que tout le monde a survécu après l'évacuation, sous les ordres du maire et du père de Mitsuha. Taki et Mitsuha quittent la gare et arrivent à l'escalier. Ils se voient et se reconnaissent qu'ils se sont déjà rencontrés et demandent leurs noms.
