Ganta Nakami est insomniaque. À​ l’école, il est fatigué, ce qui le rend irritable et même asocial. Un jour, il se rend à l’observatoire, l’ancienne salle du club d’astronomie, et tombe sur Isaki Magari. Elle est aussi insomniaque, mais d’un caractère beaucoup plus enjoué et sociable que lui, elle lui propose d’utiliser l’endroit comme elle pour s’y reposer.

Ganta et Isaki décident de garder leur nouvelle amitié secrète pour ne pas éveiller les soupçons. Ils s’activent à remettre l’observatoire en ordre pour pouvoir y dormir un peu plus confortablement, mais un chat, intéressé par un nouvel endroit où dormir, s'invite dans leur club. Sans le savoir, cette petite boule de poils risque de leur attirer des ennuis…

Grâce à Isaki et Ganta, le club d’astronomie du lycée Kuyô est officiellement reformé. Mais c’est maintenant que le vrai travail commence ​: pour permettre au club d’exister, ils ont besoin d’obtenir un budget de l’école. Pour ça, il faut réfléchir à un programme d’activités. Dans l’espoir de recevoir des conseils, les deux lycéens rendent visite à une ancienne élève qui faisait partie du club d’astronomie.

Ganta met toutes ses nuits blanches à profit pour s’entraîner à photographier le ciel étoilé. Mais il a encore beaucoup à apprendre et il ne progresse pas aussi vite qu’il le voudrait. Le voyage à la mer approche, et même si l’espoir de pouvoir prendre une photo pour le concours s’amenuise de plus en plus, Isaki reste positive.

La classe de Ganta et Isaki part camper à Chirihama. Ganta veut profiter de cette occasion pour prendre une photo à présenter au concours. Malheureusement, le temps n’est pas au beau fixe, et l’espoir de la photo s’envole, comme celui de trouver le sommeil…

Dans la chaleur de l’été, Isaki et Ganta organisent la veillée aux étoiles pour observer les Perséides. Mais à eux deux, ils risquent de ne pas aller bien loin. Ils font donc appel à leurs amis pour leur venir en aide. Leur objectif : créer un évènement inoubliable et inviter un maximum de personnes.

Le jour du festival est arrivé. Ganta, Isaki et leurs amis travaillent d’arrache-pied pour inviter le plus de monde possible à la veillée aux étoiles. Le soir, c’est aussi l’occasion de prendre des photos pour le concours de ciel étoilé. Ganta est déterminé à travailler dur pour le bien du club d’astronomie, mais ne risque-t-il pas d’oublier le plus important ?

Les élèves du lycée Kuyô sont tous ravis d’enfin terminer les cours et de commencer les vacances d’été. Isaki, Ganta et leurs amis s’occupent des derniers préparatifs avant la veillée aux étoiles du lendemain. Tout le monde a hâte d’observer les Perséides, mais tout risque de ne pas se passer comme prévu…

C’est enfin les vacances d’été ! Après avoir dû annuler la veillée aux étoile tant attendue, Ganta n’a plus qu’une idée en tête : faire tout son possible pour gagner le concours de photo de ciel étoilé. Il compte donc partir avec Isaki en camp d’été, mais la question de l’argent va vite poser problème…

Haya partie en voyage avec son copain, Isaki et Ganta se retrouvent à deux. C’est avec Mitsukejima que débute réellement leur voyage. Sous le ciel étoilé, ils mettent à profit leur insomnie pour prendre le plus de photos possible, et se rapprochent toujours plus…

Le séjour des deux insomniaques se poursuit, mais cette fois-ci, ils ont droit à une mauvaise surprise : non seulement le temps s’est gâté, mais ils commencent à venir à bout de leurs économies. Heureusement, Isaki et Ganta peuvent compter sur l’aide de leurs amis, et ils sont tous les deux déterminés à aller jusqu’au bout du voyage : le site de Mawaki les attend.

Désobéissant aux parents d’Isaki, les deux insomniaques décident d’aller jusqu’au bout de leur voyage, coûte que coûte. Ganta et Isaki se rendent donc au site de Mawaki, l’endroit dont ils espèrent tirer leurs plus belles photos, mais aussi le lieu où Ganta s’est promis d’avouer ses sentiments pour Isaki.