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La historia inicia en Japón a comienzos de 1990 finalizando en un día más moderno, centrándose en un chico llamado Takaki Tōno.

Episodio 1: Extracto de flor de cerezo
En la graduación de la escuela primaria, Takaki Tōno y su amiga Akari Shinohara tienen que separarse. Akari se muda a Tochigi debido a los trabajos de sus padres, mientras que Takaki iría a una escuela secundaria en Tokio. Los dos deciden mantenerse en contacto mediante cartas, pero a pesar de los sentimientos que existieron entre ellos, la única cosa que persistió era el tiempo. Cuando Takaki se entera que su familia se mudará a Kagoshima, él decide ir a ver a Akari, debido a que le será muy difícil seguir viendola luego de su mudanza. Sin embargo, cuando llega el día, una severa tempestad de nieve retrasa por varias horas el viaje de Takaki, lo cual lo hunde en el desaliento y la desesperación sobre todo cuando la carta que él le escribió a Akari se la lleva el viento; en esa carta él le declaraba todo su amor. Finalmente, cuando el tren se detiene en la estación donde se reunirían, se sorprende al darse cuenta que, a pesar de lo tarde, Akari lo ha estado esperando. Tras un breve reencuentro, ambos abandonan la estación y caminan en la noche atravesando un campo lleno de nieve, en ese momento se detienen y ella se acuerda de los pétalos de cerezo que caían eran muy parecido a la nieve. En ese momento se dan un beso, y con éste se dan cuenta que su relación nunca va a funcionar y deciden ir a la estación del tren para despedirse, Takaki le dice que será muy difícil desde ahora permanecer juntos y que las circunstancias poco a poco los está separando así que deciden no escribirse más y se alejan.

Episodio 2: Cosmonauta
Takaki se encuentra en el tercer año de la secundaria superior en Tanegashima, donde se localiza el Centro Espacial Tanegashima. Kanae Sumita, una compañera de clase de Takaki, tiene un afecto especial sobre él, pero no tiene aún el coraje para expresar sus sentimientos. Luego, ella se da cuenta que Takaki siempre mantiene una mirada "perdida", como si buscara algo más allá del horizonte. Aunque ella ama a Takaki, Kanae entiende que él está buscando algo más en otro lugar, algo que ella no le podrá ofrecer.

Episodio 3: Cinco centímetros por segundo
Ahora es 2008, y los tres personajes han tomado caminos diferentes. Takaki es un informático en Tokio, y Akari se está preparando para su matrimonio. Un día, Takaki sale y piensa que el rostro de una persona al estar cruzando un carril de tren le es muy familiar. Desconcertado por el encuentro, intenta mirar atrás, pero un tren pasa y luego otro, cortando su visión. Pensando que si era Akari ella también se voltearía, espera.
Después empiezan a sucederse escenas de como el tiempo pasó tanto para Akari como para Takaki, desde el momento en que ellos se separaron hasta el momento en que se encuentran sin darse cuenta en el paso del tren, donde hasta ese momento él pensaba que lo que anduvo buscando todo este tiempo, tanto en el trabajo como en la relación que mantenía, no se encontraban en éso sino que se encontraba en Akari, lo que él quería era volver a estar con ella.
Después de que los trenes pasaran y dándose cuenta de que no había nadie al otro lado, decide seguir su camino, pero esta vez con una sonrisa en su rostro.