Mitsuha Miyamizu, seorang siswi sekolah menengah atas yang tinggal di desa fiktif bernama Itomori di daerah pegunungan Hida Prefektur Gifu, mulai bosan dengan kehidupannya di pedesaan tempat dia lahir dan berharap dapat terlahir menjadi pemuda tampan yang hidup di Tokyo pada kehidupan selanjutnya. Kemudian, Taki Tachibana, seorang siswa sekolah menengah atas yang tinggal di Tokyo, terbangun dari tidurnya dan menyadari bahwa dirinya adalah Mitsuha, yang entah bagaimana bisa masuk ke dalam tubuh Taki.
Taki dan Mitsuha menyadari bahwa mereka berdua saling memasuki tubuh satu sama lain. Mereka mulai berkomunikasi satu sama lain dengan saling meninggalkan catatan di kertas maupun melalui memo di ponsel mereka.
Seiring dengan berjalannya waktu, mereka semakin terbiasa dengan pertukaran tubuh ini serta mulai mencampuri kehidupan satu sama lain.
Mitsuha membantu Taki untuk menjalin hubungan dengan seorang wanita rekan kerjanya yang bernama Miki Okudera, sehingga akhirnya Taki dapat berkencan dengan Miki. Sementara itu, Taki membantu Mitsuha agar lebih dikenal di sekolahnya.
Mitsuha kemudian memberitahu Taki mengenai sebuah komet yang diramalkan akan melintas dekat Bumi dalam beberapa hari mendatang, dan betapa tertariknya dirinya untuk dapat melihatnya, karena waktunya bertepatan dengan festival di desa Itomori.
Pada suatu saat, nenek dari Mitsuha bertanya kepada Taki yang berada di dalam tubuh Mitsuha, "Kamu masih bermimpi, kan?", dan bercerita bahwa keturunan Miyamizu terkadang mengalami mimpi tentang kehidupan orang lain. Keesokannya, Taki tiba-tiba kembali terbangun di tubuhnya sendiri. Saat bertemu dengan Miki, kencannya berakhir gagal. Miki meninggalkan Taki, mengatakan bahwa dirinya menyadari bahwa ada orang lain yang dipikirkan oleh Taki. Semenjak itu, Taki dan Mitsuha tidak pernah bertukar tubuh lagi. Taki kemudian mencoba menghubungi Mitsuha, namun tidak berhasil.
Dan dia akhirnya memutuskan untuk menemui Mitsuha secara langsung dengan mengunjungi tempat kelahirannya.
Tanpa mengetahui apa nama desa Mitsuha dan di mana lokasinya, Taki melakukan perjalanan ke berbagai daerah di Hida, dengan hanya mengandalkan sketsa pemandangan desa yang dia lukis berdasarkan ingatannya.
Akhirnya, di sebuah restoran yang dia kunjungi bersama Miki dan teman sekolahnya Tsukasa Fujii, seorang pelayan mengenali sketsa Taki sebagai desa Itomori, dan mengatakan bahwa desa tersebut dahulunya sangat indah. Namun kini desa tersebut dan wilayah di sekitarnya telah hancur serta menjadi kawah raksasa karena dihantam pecahan komet Tiamat yang jatuh tiga tahun lalu. Saat membaca catatan kejadian, Taki menyadari bahwa kejadian ini telah menewaskan sepertiga penduduk. Taki juga menemukan nama Mitsuha dan juga kedua temannya, Katsuhiko Teshigawara dan Sayaka Natori, yang tertera dalam daftar korban.
Taki kemudian diantarkan oleh pelayan tersebut menuju lokasi kawah. Di sana, Taki mencari memo yang pernah Mitsuha buat pada ponselnya untuk memastikan bahwa dirinya tidak sedang bermimpi. Namun ternyata semuanya telah menghilang.
Berusaha agar dapat terhubung kembali dengan Mitsuha, Taki kemudian memberanikan dirinya untuk pergi seorang diri ke kuil keluarga Mitsuha yang terletak di sebuah gunung dekat Itomori. Menyadari bahwa linimasa dirinya dan Mitsuha sebenarnya terpaut beberapa tahun selama ini, Taki meminum kuchikami-zake, sejenis arak beras yang dibuat dengan cara mengunyah nasi di dalam mulut, yang pernah dibuat oleh Mitsuha saat menjalani tradisi gadis kuil dan ditinggalkan di dalam kuil tersebut sebagai persembahan. Dia berharap dapat terhubung kembali dengan tubuh Mitsuha sebelum komet menghantam.
Taki berhasil terbangun di tubuh Mitsuha pada pagi hari sebelum festival, dan menyadari bahwa dia masih punya waktu untuk menyelamatkan desa tersebut. Dia meyakinkan teman-teman Mitsuha perihal komet tersebut dan meminta bantuan mereka untuk mengevakuasi desa. Sambil menjalani rencananya, Taki menyadari bahwa Mitsuha juga berusaha mencarinya dengan menaiki kerMitsuha Miyamizu, seorang siswi sekolah menengah atas yang tinggal di desa fiktif bernama Itomori di daerah pegunungan Hida Prefektur Gifu, mulai bosan dengan kehidupannya di pedesaan tempat dia lahir dan berharap dapat terlahir menjadi pemuda tampan yang hidup di Tokyo pada kehidupan selanjutnya.
