En Ushinawareta Mirai wo Motomete, la Academia Uchihama, situada en la zona de Uchihama, se prepara para celebrar un último festival cultural antes de que se cierre el antiguo edificio escolar. Sou Akiyama y el Club de Astronomía se ven arrastrados por la inquietud que se extiende por el campus cuando empiezan a circular noticias sobre apariciones fantasmales, accidentes y una extraña enfermedad del sueño. En medio de esa tensión, Kaori Sasaki se le declara a Sou, pero más tarde esa misma noche muere en un trágico accidente de tráfico. Sus amigos y compañeros de club se reúnen en un hospital local para lamentar su pérdida; sin embargo, al día siguiente Kaori aparece en la escuela como si nada hubiera pasado, y nadie nota nada fuera de lo normal. La jornada termina sin más incidentes, y el grupo retoma los preparativos del festival.
Todo cambia cuando un seísmo antinatural sacude la sala del club. Los miembros se separan para investigar, excepto Nagisa Hanamiya, que se queda atrás y ve cómo el extraño cubo, semejante a una reliquia, con el que ha estado jugueteando empieza a emitir una misteriosa luz azul. En otra parte, Sou encuentra a una chica desnuda e inconsciente tendida en un charco de agua; pronto la relacionan con Yui Furukawa, una callada alumna recién llegada cuyo repentino ingreso pone en movimiento los engranajes del destino. A medida que el Club de Astronomía pasa de las perturbaciones fantasmales a los enfrentamientos entre clubes estudiantiles, la historia sigue sus esfuerzos cada vez más extraños por descubrir qué une el imposible regreso de Kaori, los misterios que rodean al antiguo edificio y la llegada de la nueva alumna.