「この列車は宙をゆく銀河鉄道天文台！
　太陽系を征服しても、我ら三人の旅はまだまだ終わらない」
どこへでも行けるって思ってた。
宇宙の謎を全て解き明かすことだって、手を伸ばせば あの星を掴むことだってできる、そう思ってた――
子供の頃、幼なじみたちと毎晩のように星を観ていた宙見暁斗。
天体望遠鏡の先に浮かぶ無数の光に、胸を躍らせていた。
それはまるで、銀河を旅するような日々だった。
だがしかし、成長した暁斗は “星を観ない天文部員” と呼ばれるようになっていた。
やめてしまったのだ、夜空を見上げることを。
そんな彼のもとに、“むつらぼしの会” への参加要請が届く。
暁斗は誘いを断るべく会へ足を運ぶが、そこで思いがけない再会をする。
そこには、どこか遠くへ引っ越していったはずの幼なじみ・箒星ひかり がいたのだ。
いつも傍にいてくれた、もう一人の幼なじみ・天ノ川沙夜。
むつらぼしの会 復活を望む他校の先輩・白鳥織姫。
そして、暁斗を慕う後輩・日下部ころな。
別れと再会、新しい出逢いを経て、再び夜空を見上げるようになった暁斗は取り戻していく。
もう二度と戻らないと思っていた、大切な想いの数々を。
そして知っていく。 未だ出逢ったことのなかった 特別な夜 を。
「さあ、銀河の謎を解き明かすべく、次なる目的地へ向かおう！」
仲間たちと宙を見上げ、星々を巡りゆく青春の日々が、また始まる。