Mitsuha é uma estudante do ensino médio que vive na cidade de Itomori, localizada na região de Hida. Ela trabalha como donzela no templo da família. Ela começa a ter sonhos, onde ela é um menino morando em Tóquio. Ela aprende que escreveu "Quem é você?" em um caderno. Taki é um garoto do colegial que vive em Tóquio. Ele também está tendo sonhos onde ele é Mitsuha. Ele aprende que eles podem trocar de corpo quando acordam. Eles começam a se comunicar um com o outro. Taki deixa anotações no caderno de notas de Mitsuha e Mitsuha deixa memorandos no telefone de Taki. Eles mudam a vida um do outro durante este tempo.
Quando Taki está sendo Mitsuha, ele vai com a avó e a irmã de Mitsuha para um santuário distante da cidade. Eles deixam Kuchikamizake lá como uma oferenda ao deus da aldeia. A nota de Mitsuha no telefone de Taki diz a Taki que um cometa passará pelo Japão no céu. Taki acorda em seu corpo. Ele tenta ligar para Mitsuha em seu celular, mas ele não conseguiu alcançar, antes que a troca de corpo terminasse. Taki, e seus amigos, Miki e Tsukasa, chegam à região, onde ficam sabendo que a cidade foi destruída por um cometa e todos os memorandos de Mitsuha foram apagados do telefone de Taki. Eles também souberam que quinhentas pessoas foram listadas que costumavam morar lá. Para reconectar sua mente com a de Mitsuha, Taki vai ao santuário, bebe sua garrafa de saquê e acaba se lembrando de seu passado.
Taki acorda no corpo de Mitsuha e aprende que seus sonhos se desvanecerão. Mitsuha e seus amigos planejam ajudar a todos a evacuar a cidade, seqüestrando a estação de transmissão. Taki percebe que ele está no corpo de Mitsuha e Mitsuha no corpo de Taki. Eles se unem no santuário, mas estão a três anos de distância. Quando ocorre o crepúsculo (kataware-doki), eles se vêem um ao outro. Eles tentam escrever o nome um do outro em suas mãos, mas Mitsuha desaparece e o crepúsculo termina. Taki não se lembra mais de Mitsuha, depois de recuperar seu corpo. Antes de voltar para sua família, Mitsuha percebe que suas lembranças de Taki desapareceram e encontra uma escrita que ele escreveu "Eu te amo" em vez de seu nome. Apesar da evacuação bem sucedida, o cometa cai pelo Japão e destrói a cidade, enquanto Taki acorda nos dias de hoje.
Cinco anos mais tarde, Taki foi formado na universidade. Ele pesquisa sobre a história da cidade e descobre que todos sobreviveram após a evacuação, sob ordens do prefeito e do pai de Mitsuha. Taki e Mitsuha deixam a estação de trem e chegam à escadaria. Eles se vêem e se reconhecem que se encontraram antes e perguntam por seus nomes.