Mitsuha is een meisje van de middelbare school dat in de stad Itomori in de regio Hida woont. Ze werkt als meisje in de familietempel. Ze begint te dromen, waar ze als jongen in Tokio woont. Ze leert dat ze "Wie ben jij?" op een notitieboekje heeft geschreven. Taki is een middelbare schooljongen die in Tokio woont. Hij heeft ook dromen waar hij Mitsuha is. Hij leert dat ze van lichaam kunnen wisselen als ze wakker worden. Ze beginnen met elkaar te communiceren. Taki laat notities achter in Mitsuha's notitieboekje en Mitsuha laat memo's achter in Taki's telefoon. Ze veranderen elkaars leven gedurende deze tijd.
Als Taki Mitsuha is, gaat hij met Mitsuha's grootmoeder en zus naar een heiligdom ver weg van de stad. Ze laten daar kuchikamizake achter als een offer aan de dorpsgod. Mitsuha's briefje op Taki's telefoon vertelt Taki dat een komeet Japan in de lucht zal passeren. Taki wordt wakker in zijn lichaam. Hij probeert Mitsuha te bellen op zijn mobiele telefoon, maar die kon er niet bij, voordat het lichaam overgaat. Taki en zijn vrienden, Miki en Tsukasa, komen in de regio aan, waar ze te weten komen dat de stad is verwoest door een komeet en alle memo's van Mitsuha zijn gewist van Taki's telefoon. Ze leren ook dat er vijfhonderd mensen op de lijst staan die er vroeger woonden. Om zijn geest weer in contact te brengen met die van Mitsuha, gaat Taki naar het heiligdom, drinkt haar sakefles en herinnert zich uiteindelijk haar verleden.
Taki wordt wakker in Mitsuha's lichaam en leert dat hun dromen zullen vervagen. Mitsuha en haar vrienden zijn van plan om iedereen te helpen de stad te evacueren, door de zender te kapen. Taki merkt dat hij in Mitsuha's lichaam zit en Mitsuha in Taki's lichaam. Ze verenigen zich in het heiligdom, maar ze zijn drie jaar uit elkaar. Als de schemering (kataware-doki) zich voordoet, zien ze elkaar. Ze proberen elkaars naam op hun handen te schrijven, maar Mitsuha verdwijnt en de schemering eindigt. Taki herinnert zich Mitsuha niet meer, nadat hij zijn lichaam terug heeft gekregen. Voordat ze terugkeert naar haar familie, realiseert Mitsuha zich dat haar herinneringen aan Taki zijn vervaagd, en vindt hij een geschrift dat hij "I love you" heeft geschreven in plaats van zijn naam. Ondanks de succesvolle evacuatie valt de komeet door Japan en vernietigt de stad, terwijl Taki in het heden wakker wordt.
Vijf jaar later is Taki afgestudeerd aan de universiteit. Hij doet onderzoek naar de geschiedenis van de stad en verneemt dat iedereen het na de evacuatie heeft overleefd, op bevel van de burgemeester en Mitsuha's vader. Taki en Mitsuha verlaten het station en komen aan bij de trap. Ze zien elkaar en herkennen zichzelf die ze eerder hebben ontmoet en vragen naar hun namen.
