高校3年の深井平太（佐藤健）は、ある日誰もいない理科準備室で、眠っている女の子（前田敦子）を見つける。平太が彼女のある部分に触れると、いきなり女の子が目を覚ました――。実は彼女は前の晩、校長の岸本路郎（小野武彦）が繁華街のゴミ箱で見つけ、酔ったいきおいで家に連れ帰った子だった。翌朝、息をしていないことに驚いた校長は平太の担任の小川訪（田中裕二）に助けを求め、理科準備室に隠しておいたのだ。居合わせた工学博士・柳栗子（薬師丸ひろ子）は、彼女をロボットだと見抜く。しかし、どこを見ても人間としか見えない。何か秘密があるに違いない。スキャンダルを恐れた岸本は、ある提案をする。「このことは4人だけの秘密だから―――」成り行き上、学校では平太がロボットの面倒を見ることになった。そんなとき平太は、校長室に入り込んで校長のイスをナイフで切り刻む生徒を目撃する……。

平太（佐藤健）が転校生としてやって来たロボットのQ10（前田敦子）の面倒を見るようになって数日。担任の小川訪（田中裕二）は、平太のクラスメイトの中尾純（細田よしひこ）が、Q10をつけ回していることに気づく。中尾は好きな漫画のキャラクターに似たQ10に淡い恋心を抱いていたのだった。Q10がロボットであることがばれてしまうのを恐れた小川は、平太に「中尾にあきらめさせろ」と告げる。しかたなく平太は中尾の恋を終わらせようとするのだが…。「恋は革命ですよ。自分の中の常識が全部ひっくり返ってしまうようなものなの」そう話す柳栗子（薬師丸ひろ子）の言葉で、Q10を見守る平太の心にもまた、変化が訪れて――。

文化祭を前に平太（佐藤健）は少々憂うつな気分だった。男子生徒が上半身裸になってやる“受験祈願の踊り”も憂うつだったし、一年の文化祭のとき互いに意識しあっていた柴田京子の手をとっさに払いのけてしまった苦い思い出がよみがえるのだ。そんななか平太のクラスメイト河合恵美子（高畑充希）が、 前夜祭のミスコン代表者に選ばれた。受験を前に誰も出場しようとしない中、無理矢理選ばれた河合は複雑な気分。河合に想いをよせる影山聡（賀来賢人）はそんな河合を応援しようとするが―――。そのころQ10（前田敦子）はクラスの藤丘誠（柄本時生）が先輩から“ヤバイ仕事”に誘われるのを目撃する。「おカネがあればいいのですか？」とQ10は藤丘のために動き始める。一方、嫌な記憶、嫌な現実しか思い起こさせない文化祭から逃げようとする平太の前には富士野月子（福田麻由子）が現れ―――。

高校3年の平太（佐藤健）に、進路志望の提出期限が迫っていた。自分の未来が見えずに悩む平太。そんななかクラスメイトの中尾（細田よしひこ）はQ10（前田敦子）の正体についてある疑問を抱き始めていた。中尾は先日Q10が、自分の腕に刺さったカッターをこともなげに引き抜く場面を目撃していたのだ。Q10は人間じゃないのか――？中尾にしつこく追求され困惑する平太。そんな平太にさらなる悩みが巻き起こる。父・武広（光石研）が怪しげな店『愛獣』に入ってしまうところを目撃してしまう。同じころ、やはり進路の決まらない民子（蓮佛美沙子）影山（賀来賢人）河合（高畑充希）。そして相変わらず学費が払えず自分の未来を考えられない藤丘（柄本時生）一方、進路なんて必要ないQ10はQ10なりに「努力」を始める。そんなQ10を見てますます焦りを感じる平太。

ついに中尾（細田よしひこ）に、Q10（前田敦子）の正体がロボットだとバレてしまった。中尾は平太（佐藤健）に「秘密を守る代わりに、Q10をオレにくれない？」と言い出す。平太は岸本（小野武彦）と柳（薬師丸ひろ子）、小川（田中裕二）に相談するが、彼らは意外にもあっさりと「すべてが丸く収まるなら、Q10をリセットして中尾に渡すか」と言い出す。そんなことをしたら、いままで平太がQ10に教えたことも、二人で過ごした時間も全て消えてしまう。それに何より平太にとってQ10はかけがえのないものになっていた。しかしどうしようもない平太はQ10を中尾に渡してしまう――。

「人間の命より、Q10（前田敦子）が大事だ」Q10への想いをはっきりと自覚した平太（佐藤健）。だがQ10が好きなのに、やはり生身の人間であるクラスの女子たちにときめいたりもしてしまうモヤモヤも抱えていた。そんな平太に月子（福田麻由子）は「これ使ってみたら？」と小さなチップを渡す。「Q10にかざすと、深井君の望みが、かなうよ」平太がおそるおそるチップをかざすと――。いっぽう入院中の久保（池松壮亮）は病院に顔を出すようになった民子（蓮佛美沙子）を意識し始める。久保は平太に初めて「死ぬのが、怖い――死ぬのが、ものすごく怖い」と言い出す。もし大切な人が急にいなくなってしまったら、自分はどうなってしまうんだろう……。久保と同様に、大切な人ができたからこその痛みを理解する平太は久保のためにある行動にでる。そのころ藤丘（柄本時生）が、家庭の事情で学校をやめようとしていた。それを知ったQ10は――。

平太（佐藤健）のクラスに月子（福田麻由子）が登校してくるようになった。「Q10（前田敦子）は私たちのもの」とQ10の秘密を握っている月子。Q10を撤収されることを恐れた平太は、Q10を連れて逃げることを決意する。そのころ影山（賀来賢人）は高校生活の最後の思い出にと、河合（高畑充希）の映画を撮りたいといい始める。「せめて映画だけでも、幸せに撮ってくれるかな？」そう言う河合の希望でふたりは“幸せな”映画の撮影を始める。いっぽう、久保（池松壮亮）は知り合いの入院患者の死に直面し、 いいようのない不安にかられていた。そんな久保の姿を見た民子（蓮佛美沙子）は――。

「Q10（前田敦子）、回収することに決まったから」そう告げる月子（福田麻由子）に平太（佐藤健）は動揺する。いったいQ10は何の為にここに来たのか、月子に聞く平太。「全部話したら私のお願い聞いてくれる？」月子はQ10のことなら何でも知っているという。そして平太に秘密を教えるかわりに、平太にやって欲しいことがあるという。それは、「深井平太にしか出来ないこと」だと。Q10の秘密を知る為に、平太はQ10を連れて月子に会いに行くが――。そのころ、中尾（細田よしひこ）は月子からもらったカプセルの中身をあけてしまう。そこには見たこともないような機械が入っていた。屋上で月子と中尾が対峙したとき、時間が逆戻りしたことを思い出す中尾。中尾は柳教授（薬師丸ひろ子）に相談しに理科準備室へと向かう。月子の謎のカプセルはいったい何なのか――？

「もう一度だけでいいから――遠くからでもいいから――会いたい」Q10（前田敦子）のリセットボタンを月子（福田麻由子）に言われるままに押してしまった、あの日以来、平太（佐藤健）は何かが止まってしまったようにぼんやりと過ごしていた。Q10は70年後の未来からきたロボットだったこと。それは自分の未来の奥さんに18歳の自分の映像を送り届けることが目的だったこと。平太は未だに全てを受け入れられないでいた。いっぽう、心臓病の病状が芳しくない久保（池松壮亮）は集中治療室からやっと出られたものの、不安な毎日を過ごしていた。何もしてあげられないと、悩む民子（蓮佛美沙子）同じく、現実を見せつけられ、未来が見えず不安を抱える影山（賀来賢人）と河合（高畑充希）はお互いにどう歩み寄っていけばいいのかわからず、模索していた。それぞれの、想いを抱えて悩む面々。