Действие происходит в Японии, начиная с 1990-х годов. Сюжет охватывает более десяти лет жизни главного героя Такаки Тоно и состоит из трёх частей. Каждая часть представляет отдельный этап его жизни, связанный с романтическими отношениями. Первая часть под названием "Отрывок о цветущей сакуре" начинается в 1994 году, когда Тоно заканчивает младшие классы школы. В это время он знакомится с девочкой Акари, но их общение прерывается из-за переезда её семьи.
Вторая часть под названием "Космонавт" описывает период обучения Тоно в средней школе на другом острове. В него влюбляется одноклассница Канаэ Сумида, которая несколько лет скрывает свои чувства. Она признаётся ему в любви только в выпускном классе. Третья часть "5 сантиметров в секунду" показывает Тоно уже взрослым, работающим человеком. У него заканчиваются длительные отношения с девушкой, после чего он оставляет работу.
В финальной части показано, как Тоно, потерявший смысл жизни, случайно встречает свою первую любовь Акари. Эта встреча происходит во время его бесцельных прогулок по окраинам города. Фильм завершается этой встречей, оставляя зрителю возможность самостоятельно интерпретировать дальнейшее развитие событий.
