Действие происходит в Японии, начиная с 1990-х годов. Фильм охватывает более десяти лет жизни главного героя Такаки Тоно и состоит из трех историй, связанных с его отношениями в разные периоды. Первая часть, "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 ее семьи.
После расставания Тоно и Акари продолжают обмениваться письмами и изредка встречаться. Через год Тоно решает передать Акари письмо с признанием в чувствах. При встрече происходит их первый поцелуй, но письмо теряется, и впоследствии они окончательно теряют связь. Во второй части, "Космонавт", показан период учебы Тоно в средней школе на другом острове, где в него влюбляется одноклассница Канаэ Сумида, но несколько лет скрывает свои чувства.
Третья часть, "5 сантиметров в секунду", показывает Тоно уже взрослым, работающим человеком. После длительных отношений он расстается с девушкой, оставляет работу и переживает период поиска смысла жизни. Во время случайной прогулки по окраинам города происходит его встреча с Акари, его первой любовью из детства.
