Koisuru Asteroid comienza con una promesa de la infancia entre Mira Konohata y Ao Manaka, dos chicas unidas por una noche de observación de las estrellas. Durante su breve encuentro, Ao le descubre a Mira las maravillas de la astronomía, desde los planetas en órbita hasta las estrellas lejanas, y le explica que ya existe una estrella que lleva el nombre de Mira, pero ninguna con el de Ao. Antes de separarse, Mira promete que algún día descubrirá un nuevo asteroide y le pondrá el nombre de Ao.
Años después, Mira entra en Hoshizaki Academy todavía fascinada por la astronomía y decidida a unirse al Club de Astronomía. Sin embargo, descubre que el Club de Astronomía del centro se ha fusionado con el Club de Geología para formar un único Club de Ciencias de la Tierra, donde, de forma inesperada, se reencuentra con Ao tras años separadas. Junto a sus nuevas compañeras de club, Mai Inose y Mikage Sakurai, y bajo la guía de Mari Morino, Mira y Ao compaginan las observaciones con telescopio, las actividades de geología y el trabajo constante necesario para perseguir su objetivo común. Así, la vida en el club convierte aquella promesa de la infancia en un esfuerzo diario que une amistad, curiosidad y una fascinación práctica por el cielo y por la tierra que pisan.