Действие аниме начинается в Японии в 1990-х годах и охватывает более десяти лет жизни главного героя, Такаки Тоно. Сюжет разделен на три части, каждая из которых посвящена разным периодам его жизни и его отношениям. Первая часть, «Отрывок о цветущей сакуре», происходит в 1994 году, когда Тоно учится в школе. Он знакомится с девочкой по имени Акари, но их общение осложняется переездом её семьи в другой город.
Несмотря на расстояние, Такаки и Акари поддерживают связь с помощью писем и изредка встречаются. Через год Тоно решает передать Акари письмо с признанием в чувствах. Во время встречи происходит их первый поцелуй, но письмо теряется, после чего их пути окончательно расходятся. Вторая часть, «Космонавт», повествует о жизни Такаки в средней школе на другом острове, где в него влюбляется одноклассница Канаэ Сумида, но она долгое время скрывает свои чувства.
Третья часть, «5 сантиметров в секунду», показывает Такаки уже взрослым, работающим человеком. У него заканчиваются длительные отношения, после чего он оставляет работу и переживает период потери жизненных ориентиров. Во время одной из прогулок по городу он случайно встречает Акари, свою первую любовь. Эта встреча становится ключевым моментом в завершении истории.
