Yuichi Aizawa regresa a la ciudad nevada en la que solía quedarse de niño hace siete años, bajo el techo de su prima, Nayuki Minase, y su madre, Akiko Minase. Nayuki reintroduce a Yuichi a su entorno, durante el cual, otros personajes se presentan a la mayoría del elenco principal (aunque solo sea de pasada).

Hoy es el primer día de Yuichi en la escuela secundaria local y es admitido en la clase de Nayuki. Mientras Yuichi camina a casa para comprar comida para la cena, se encuentra con Ayu Tsukimiya, la chica del día anterior, en exactamente la misma situación. Mientras caminan a casa, se encuentran con un estudiante de primer año tranquilo. Cuando va a comprar comestibles, una chica misteriosa lo ataca, pero está agotado por el hambre.

Llevándola a casa con la chica que lo atacó, Yuichi descubre que tiene amnesia y rápidamente se hace evidente que lo único que puede recordar es que le guarda rencor. A pesar de que Yuichi quiere entregarla a la policía, Akiko deja que la niña se quede, y cuando comienza a quedarse más tiempo, recuerda su nombre: Makoto Sawatari. En la escuela, Yuichi ve al mismo estudiante de primer año del día anterior parado en el patio; ella se presenta como Shiori.

Yuichi recuerda los eventos de los últimos siete años sobre su primer encuentro con Ayu. Nayuki hace que Yuichi regrese a la escuela para recuperar sus notas escolares que le prestó, y cuando sale de las instalaciones, se encuentra con una estudiante de tercer año, Mai Kawasumi, que empuña una espada.

Yuichi se encuentra con Mai y su amiga, Sayuri Kurata, quien lo invita a almorzar con ellos. Cuando Makoto va a comprar comida para Akiko, usa el dinero para comprar volúmenes de manga y nikuman. Mientras Yuichi quiere regañar a Makoto para que aprenda su lección, Akiko simplemente decide darle a Makoto su propia asignación.

Yuichi quiere que Makoto consiga un trabajo para convertirse en una persona más sociable que tenga más sentido común. El mismo día de su entrevista, Yuichi sale con Ayu para ver una película de terror, a pesar de que Ayu está completamente aterrorizada por las películas de terror.

Makoto comienza su trabajo trabajando en una guardería local, y mientras caminan a casa con Yuichi, encuentran un pequeño gatito callejero, que es muy cariñoso con Makoto. Mientras habla en un puente, Makoto deja caer al gato en el tráfico que se aproxima, pero se las arregla para sobrevivir. Yuichi se enoja con Makoto por esto, lo que hace que Makoto se escape temporalmente de casa.

Yuichi comienza a pasar más y más tiempo con Makoto, y se vuelven más cercanos. Sin embargo, una chica llamada Mishio Amano le da una advertencia siniestra sobre Makoto, y los recuerdos de Yuichi comienzan a resurgir sobre su verdadera identidad.

La fuerza de Makoto comienza a deteriorarse cuando Yuichi finalmente recuerda todo sobre ella. Su condición empeora, Yuichi comienza a faltar a clases para pasar más tiempo con ella, con la esperanza de ganar más tiempo.

La historia de Makoto finalmente llega a una resolución, mientras ella pasa sus últimos momentos uniéndose a su "familia" y haciendo realidad todos sus deseos. Yuichi la lleva al lugar donde una vez perteneció y realiza una ceremonia profunda y personal para los dos.

Mai es llamada a la oficina de la escuela, bajo la sospecha de que ha roto una de las ventanas de la escuela. Yuichi concluye que si Mai fuera más popular, no se metería en problemas con tanta frecuencia y la invita al próximo festival de baile. Ayu hace acto de presencia y se le ofrece quedarse en la casa de Minase.

Yuichi está empezando a recordar más sobre sus encuentros pasados ​​con Ayu hace siete años, y la vez que le dio un regalo, que le concederá tres deseos. En la escuela, Yuichi finalmente descubre que el apellido de Shiori es el mismo que el de uno de sus compañeros de clase, Kaori Misaka; sospecha que son hermanos, aunque Kaori niega tal afirmación. Como el festival de danza comienza sin problemas, no pasa mucho tiempo antes de que un demonio venga a atacar.

Después de lo que sucedió en el baile, el presidente del consejo estudiantil Kuze intenta que Mai sea expulsada, y Yuichi intenta sacarla de la situación. Al mismo tiempo, Yuichi no se contenta con quedarse mirando a Mai luchar sola contra los demonios y decide ayudarla de cualquier forma que pueda.

Sayuri está empezando a preocuparse más por Mai y Yuichi, lo que hace que Mai intente alejarla para protegerla. En el cumpleaños de Mai, Sayuri se encuentra con Yuichi en la ciudad y le cuenta más sobre la situación de su familia antes de conocer a Mai. Más tarde esa noche, Sayuri va a la escuela para sorprender a Mai, pero mientras está allí, Sayuri es emboscada de repente por las criaturas que deambulan por los terrenos de la escuela.

Yuichi y Mai continúan luchando contra los monstruos, y cuando Yuichi es atacado, se le muestra algo que no debería haber olvidado hace años: recuerdos entre él y Mai, que tiene un poder misterioso.

Manteniendo su promesa a Shiori, Yuichi se ofrece a llevarla por la ciudad por el día a algunos de los lugares favoritos de Shiori. Durante la noche, la hermana mayor de Shiori, Kaori, se encuentra con Yuichi, explicando por qué niega su relación de hermanos y el misterio detrás de la enfermedad de Shiori.

Con la llegada del cumpleaños de Shiori, Yuichi decide que intentará hacer todo lo que pueda por ella, mientras ella todavía tenga tiempo. Una semana antes de su cumpleaños, Shiori obtiene el permiso de su médico para asistir a la escuela durante la semana restante, como una estudiante normal. Mientras tanto, Kaori todavía insiste en evitarla y advierte a Yuichi que Shiori podría no sobrevivir mucho después de que pase su cumpleaños.

Faltan días para el cumpleaños de Shiori y Yuichi quiere organizarle una fiesta de cumpleaños en un café local. Invita a muchos estudiantes y compañeros de la escuela, junto con Nayuki, Ayu, e incluso intenta invitar a Kaori, quien se muestra reacia a asistir. Mientras los minutos cuentan hasta la medianoche de su cumpleaños, Yuichi y Shiori pasan lo que podrían ser sus últimos momentos juntos.

Ha llegado el torneo anual de atletismo y Nayuki compite para ganar junto con el resto de sus compañeros de equipo. Unos días después, Yuichi nuevamente ayuda a Ayu a tratar de encontrar lo que ha estado buscando, pero aún no lo encuentran. El tiempo que pasan juntos en este esfuerzo los acerca a los dos más que nunca.

A medida que Yuichi y Ayu se acercan, Nayuki siente que él la está descuidando. Ayu finalmente lleva a Yuichi a donde está su "escuela" en el bosque, pero todo lo que encuentran es un gran claro con un tocón de árbol en el centro. La comprensión es demasiado para Ayu, y lo inesperado sucede justo antes de que Yuichi desaparezca.

Ayu todavía no ha regresado, y Yuichi continúa buscándola a ella y su objeto perdido. Mientras tanto, Nayuki intenta animar a Yuichi mientras trata de refrescar su memoria sobre lo que pasó entre ellos hace siete años. Sin embargo, Akiko se convierte en víctima de un accidente automovilístico, lo que podría tener resultados devastadores.

Mientras Akiko está en la unidad de cuidados intensivos, Nayuki se deprime profundamente. Encerrándose en su dormitorio, se niega a irse. Cuando accidentalmente deja la puerta abierta, Yuichi aprovecha la oportunidad para hablar con ella, pero ella simplemente lo aleja. Mientras Yuichi intenta dormir, sueña y descubre lo que le sucedió a Ayu hace siete años. Se va durante una tormenta de nieve y se dirige al bosque, pero pronto se derrumba y aparece Makoto. Cuando se arrodilla ante el cuerpo inconsciente de Yuichi, una luz brillante los ilumina de repente.

Al despertar en un apartamento, Yuichi conoce a un viejo conocido a quien admiraba de niño llamado Makoto Sawatari. De vuelta en el lugar prometido, Yuichi ve a Ayu de nuevo, y ella le pide que su tercer y último deseo sea que Yuichi se olvide de ella, pero Yuichi no está dispuesto a concederlo. Ayu luego pide un deseo diferente y desaparece poco después en los brazos de Yuichi. Nayuki sale de su depresión e intenta sacar a su primo de la suya.

Ocurre un milagro y todos se curan de su enfermedad o lesión: Mai, Sayuri y Shiori regresan a la escuela, mientras que Akiko regresa a casa. En un descubrimiento sorprendente, Akiko le revela a Yuichi los eventos posteriores al accidente de Ayu y Yuichi finalmente la encuentra, en estado de coma en el hospital. A medida que pasa el tiempo, todos siguen adelante con sus vidas, pero Yuichi aún se aferra a la esperanza de que finalmente se despierte. Sin embargo, todavía le falta una pieza final de su rompecabezas, antes de que Ayu pueda realmente terminar viviendo en un sueño. Al final, Ayu se despierta y todavía está junto a Yuichi. Justo antes de los créditos finales, se puede ver a un zorro familiar caminando más allá del muñón, ligeramente borroso en el fondo.