Jepang sedang mengalami periode cuaca yang sangat basah. Saat duduk bersama ibunya yang sekarat di rumah sakit Tokyo, seorang gadis remaja bernama Hina Amano melihat genangan sinar matahari di reruntuhan kuil di atas sebuah bangunan bobrok. Hina meninggalkan tempat tidur ibunya dan pergi ke kuil, melintasi gerbangnya, dan sejenak dipindahkan ke dunia yang tampak di langit.
Siswa baru sekolah menengah Hodaka Morishima melarikan diri dari rumahnya dan pindah ke Tokyo. Dalam perjalanan, dia hampir terlempar dari kapal feri ketika hujan badai yang dahsyat menerjangnya. Namun, dia diselamatkan oleh seorang pria bernama Keisuke Suga , yang kemudian disuguhi Hodaka sebagai ucapan terima kasih atas bantuannya. Keisuke memberinya kartu namanya kalau-kalau dia membutuhkan bantuan saat mereka berangkat dari feri. Di Tokyo, Hodaka berjuang untuk menghidupi dirinya sendiri karena dia tidak dapat bekerja secara legal karena statusnya sebagai anak di bawah umur yang melarikan diri. Dia menghabiskan beberapa malam di kafe cyber sambil menanyakan peluang kerja secara online, namun akhirnya tidak dapat menemukan posisi di mana pun dan dengan demikian memutuskan untuk menghemat uangnya dengan tetap berada di jalanan. Dia sempat bertemu Nagi Amano , adik laki-laki Hina, bersama dengan Ayane dan Kana di bus, berseru pada dirinya sendiri bahwa Nagi adalah seorang pemain.
Suatu malam, saat berlindung di ambang pintu lobi lift, Hodaka bertemu dengan seekor kucing liar yang dia beri makan, menyadari bahwa dia dan hewan tersebut berada dalam situasi yang sama. Setelah pingsan di luar sana, dia dibangunkan oleh tuan rumah klub, yang mengusirnya dan mengirimnya menabrak tempat sampah yang menumpahkan sampah ke mana-mana. Saat Hodaka mengganti sampah di kaleng, dia mengambil sebuah paket yang kemudian dia buka saat dia duduk di McDonald's. Paket tersebut berisi pistol, yang awalnya membuatnya takut, sampai dia meyakinkan dirinya sendiri bahwa itu pasti hanya mainan dan memutuskan untuk menyimpannya sebagai jimat keberuntungan. Hina mendekatinya saat dia duduk tanpa memesan apa pun, menawarinya makanan gratis karena kasihan.
Keesokan harinya, Hodaka menghubungi Keisuke dan dipekerjakan sebagai asisten di perusahaan penerbitan kecilnya, K&A Planning Co. , Ltd. Di kantor, Hodaka bertemu Natsumi Suga , keponakan Keisuke yang dikira Hodaka sebagai majikannya. Dia dan Natsumi menyelidiki legenda urban yang berkaitan dengan cuaca tidak biasa di Tokyo; dari paranormal, mereka mendengar legenda ' Gadis Sinar Matahari ' dan 'Gadis Hujan'---makhluk yang dapat mengendalikan cuaca.
Pada suatu hari hujan, Hodaka menyaksikan Hina diintimidasi untuk bekerja di klub samar oleh pria yang sama yang mengusirnya sehari sebelumnya, dan berusaha menyelamatkannya. Dia mengenalinya sebagai gadis yang baik padanya, dan mereka kemudian melarikan diri bersama saat tuan rumah klub mengejar mereka. Tuan rumah menjebak Hodaka, tapi dia berhasil mengejutkan pria itu dengan menembakkan pistol yang dia temukan sebelumnya. Tidak menyangka pistol itu asli, Hodaka membeku, dan Hina dengan cepat menariknya menjauh sehingga keduanya bisa melarikan diri ke gedung terbengkalai di dekatnya---gedung yang sama yang dilihat Hina saat dia duduk bersama ibunya. Hina menegur Hodaka karena ikut campur, menjelaskan bahwa dia membutuhkan pekerjaan itu untuk menghidupi dirinya dan saudaranya setelah dipecat dari pekerjaan sebelumnya di restoran cepat saji. Dia mengkritik penggunaan pistolnya sebelum berbalik untuk pergi, dan Hodaka, juga takut dengan apa yang telah dia lakukan, melemparkannya ke lantai gedung. Melihat bahwa dia menyadari kesalahannya, Hina kembali dan menebak bahwa Hodaka adalah seorang pelarian sebelum mengatakan kepadanya bahwa dia ingin menunjukkan sesuatu kepadanya. Di atap gedung, Hina menunjukkan kemampuannya membersihkan langit dengan berdoa untuk Hodaka. Dia memperkenalkan dirinya kepada Hodaka yang terkesan saat dia melakukan hal yang sama, membual kepadanya bahwa dia berusia 17 tahun dan karenanya lebih tua darinya. Mereka mengatur pertemuan di rumah Hina.
Segera setelah itu, di K&A, Hodaka berbicara dengan Natsumi tentang Sunshine Girls dan wanita tersebut terpesona dengan gagasan menjadi Sunshine Girl, lalu bertanya kepada Hodaka kapan dia berkencan dengannya. Hodaka memprotes karena ini bukan kencan saat Natsumi bangkit untuk pergi. Di tempat lain, Keisuke bertemu dengan ibu mendiang istrinya , Ny. Mamiya , di sebuah kafe untuk mendiskusikan hak asuh atas putrinya. Dia menolak permintaannya untuk menemui Moka, dengan alasan bahwa dia masih merokok dan akan memberikan kesan buruk pada anak tersebut.
Kemudian pada hari itu, dia bertemu Hina dan kemudian adik laki-lakinya, Nagi, di rumah mereka dan dia memasak makan siang untuk Hodaka saat mereka mendiskusikan pekerjaan. Terinspirasi oleh ide Gadis Sinar Matahari, Hodaka mengusulkan agar mereka memulai bisnis bersama; Hina bisa memberikan kemampuan misteriusnya kepada orang-orang yang menginginkan cuaca cerah untuk acara khusus. Bisnis mereka sukses besar dan menarik banyak klien mulai dari siswa taman kanak-kanak hingga perusahaan raksasa.
Festival kembang api Jingu Gaien diadakan beberapa bulan setelah pekerjaan dimana Hina diminta untuk menyediakan langit cerah. Setelah melakukannya, dia duduk di atap gedung bersama Hodaka, mengatakan kepadanya bahwa dia sangat senang dia memulai pekerjaannya saat mereka menonton kembang api bersama.
Keesokan harinya, Natsumi menulis resumenya sambil menunggu di mobil sampai Keisuke menutup telepon. Keisuke mengeluarkan sebatang rokok, tapi tidak menyalakannya saat Ame melompat ke meja di depannya, lalu memutuskan untuk menelepon Ny. Mamiya tentang putrinya. Dia masuk ke mobil bersama Natsumi dan mereka mendiskusikan Hodaka dan pekerjaannya yang lain bersama-sama, Natsumi menjadi muak pada Keisuke saat dia mengatakan kepadanya betapa kecilnya gajinya.
Hina, Nagi, dan Hodaka mencari pekerjaan untuk Fumi Tachibana di rumahnya, membersihkan langit untuknya sehingga dia bisa menyalakan api untuk mendiang suaminya. Fumi mengatakan sayang sekali mereka berhenti dari pekerjaannya, tapi Hodaka menjelaskan bahwa mereka tidak punya pilihan karena Hina tertangkap kamera di festival dan karena itu ingin bersembunyi untuk sementara waktu. Taki Tachibana tiba di rumah Fumi dan menyalakan api untuknya, Fumi mendorongnya untuk melakukan hal yang sama untuk almarhum ibunya ketika dia mengungkapkan kematiannya. Taki dan Hodaka mendiskusikan Hina saat dia, kakaknya, dan Fumi bermain di taman. Hodaka mengatakan bahwa Hina akan berulang tahun seminggu lagi dan Taki mendorongnya untuk membelikannya hadiah.
Keisuke dan Natsumi terus menyelidiki legenda urban seputar gadis misterius yang bisa mengubah cuaca. Mereka mengunjungi seorang pendeta di kuil yang menceritakan kepada mereka legenda gadis cuaca yang kekuatannya harus dibayar mahal. Di tempat lain, Yasui dan Takai mengejar tuan rumah yang menyudutkan Hina dan menanyakan apa yang dia ketahui tentang Hodaka, menunjukkan kepadanya gambar CCTV Hodaka mengarahkan senjatanya ke arahnya. Polisi kemudian mendiskusikan Hodaka sambil makan ramen.
Saat dia menonton pertandingan sepak bola sekolah Nagi, Hodaka bertanya secara online hadiah apa yang terbaik untuk diberikan kepada gadis berusia 18 tahun, tetapi tidak mendapat tanggapan yang berguna. Nagi menyelesaikan permainannya dan duduk bersama Hodaka, Hodaka menjelaskan kepadanya bahwa dia tidak tahu harus mendapatkan apa untuk Hina karena Natsumi dan Internet tidak membantu. Nagi bertanya padanya apakah dia jatuh cinta dengan Hina, dan dia tersipu malu saat menyangkalnya. Nagi melatih Hodaka tentang cinta saat keduanya mendiskusikan Hina bersama. Hodaka akhirnya memutuskan untuk membelikan cincin untuk Hina, dan pergi ke toko perhiasan untuk melakukan pembelian. Dia bertanya kepada pramuniaga, Mitsuha Miyamizu , apakah menurutnya Hina akan menyukainya, dan Mitsuha menjawab bahwa dia harus mempertimbangkan berapa lama waktu yang dibutuhkan Hodaka untuk memilihnya, lalu mendoakan dia beruntung.
Di taman, Keisuke dan putrinya Moka Suga sedang bermain bersama Nagi sementara Hina dan Hodaka duduk dan menonton mereka. Pekerjaan terakhir Hina adalah membersihkan langit untuk Moka agar dia bisa keluar dan bermain meskipun menderita asma. Keisuke datang untuk duduk bersama keduanya dan Hodaka bertanya kepadanya bagaimana dia tahu ini adalah pekerjaannya dan tentang dia memiliki seorang putri, tapi dia diabaikan karena Keisuke malah memuji Hina atas kemampuannya. Ketiganya berbicara sebentar sampai Natsumi tiba, saat itu Hodaka berseru, menoleh ke Keisuke dan bertanya apakah dia akan mendapat masalah dengannya karena dia punya istri. Keisuke menertawakan kesalahpahamannya dan Hina serta Natsumi menuduhnya mesum. Nagi dan Moka memanggil Keisuke dan Hodaka ke arah mereka saat para gadis mendiskusikan almarhum pria dan persamaan mereka. Natsumi bertanya pada Hina bagaimana kabarnya, memberitahunya tentang rumor berbahaya Gadis Sinar Matahari yang diberitahukan pendeta kepadanya.
Hari mulai gelap dan hujan mulai turun lagi sehingga keenamnya berangkat dan berpisah, Nagi pergi bersama keluarga Sugas ke restoran dan Hodaka serta Hina berjalan kembali ke tempat tinggal Amano bersama. Saat Hodaka berjalan di belakang Hina, dia khawatir akan memberinya cincin dan menyatakan cintanya padanya, tapi sebelum dia sempat, Hina menyela untuk memberitahunya sesuatu. Dia terputus saat embusan angin membawanya pergi, mengejutkan Hodaka saat dia melayang kembali ke arahnya dari langit. Dia menyadari bahwa dia menjadi tidak terlihat karena kutukan Gadis Sinar Matahari. Hina menceritakan kepadanya kisah tentang bagaimana dia menjadi Gadis Sinar Matahari di kuil atap saat mereka berjalan kembali ke tempatnya, cincin dan pengakuannya terlupakan.
Di apartemen Hina, Hodaka bersembunyi di kamar mandi saat polisi menginterogasi Hina tentang keberadaan Hodaka. Terungkap bahwa orang tua Hodaka mengajukan laporan orang hilang dan petugas polisi sedang menyelidiki penggunaan dan kepemilikan senjata api ilegal. Seorang petugas memberi tahu Hina bahwa layanan sosial akan dipanggil untuk mengambil Nagi, adik laki-laki Hina, karena mereka masih di bawah umur tanpa wali yang sah. Setelah petugas polisi pergi, Hodaka mengunjungi Keisuke dengan mobilnya, yang memecatnya dari pekerjaannya dan memberinya uang pesangon. Keisuke meminta maaf atas ketidakmampuannya membantu Hodaka lebih jauh karena dia tidak ingin ada komplikasi yang dapat menghalangi pengajuan hak asuh putrinya.
Hodaka memutuskan untuk melarikan diri bersama Hina dan Nagi, tapi cuaca semakin memburuk saat salju mulai turun. Di jalanan, ketiganya ditangkap dan Hodaka ditangkap oleh dua petugas polisi saat ia mencoba melarikan diri namun diselamatkan oleh Hina, yang mengalihkan perhatian polisi dengan berdoa agar petir menyambar di dekatnya. Hal ini kemudian memungkinkan ketiganya melarikan diri ke hotel.
Mereka bermalam di hotel. Saat mereka hendak tidur, Hina mengaku kepada Hodaka bahwa tubuhnya perlahan berubah menjadi air, dan dia belajar dari Natsumi tentang kisah gadis cuaca yang menjadi korban hidup; cuaca hanya akan kembali normal jika dia menghilang secara permanen ke dalam awan. Dia menolak untuk membiarkan ini terjadi dan berjanji untuk melindunginya. Namun keesokan harinya, Hina hilang dan hujan pun berhenti. Hodaka berangkat untuk menemukannya tetapi dia dan Nagi dibawa oleh polisi sebelum mereka dapat meninggalkan hotel. Hodaka berhasil melarikan diri dari kantor polisi untuk menemukan Hina dan mendapatkan bantuan Natsumi saat dia lewat. Polisi mengejar Hodaka hingga dia mencapai gedung kuil, tempat Hina pertama kali mendapatkan kekuatannya. Di dalam, dia bertemu Keisuke, yang berusaha menghentikannya agar tidak melarikan diri lebih jauh. Polisi berhasil menyusup ke dalam gedung dan mengepung Hodaka. Didorong oleh kepeduliannya terhadap Hodaka yang putus asa, Keisuke membantunya melarikan diri dari polisi, diikuti oleh Nagi yang muncul dan menghentikan Yasui. Hodaka berhasil mencapai puncak gedung dan melompati kuil. Dia kemudian dipindahkan ke atas dunia di langit dan menyelamatkan Hina. Saat mereka jatuh ke bumi, Hodaka memohon kepada Hina untuk mulai hidup untuk dirinya sendiri dan hujan kembali turun tanpa akhir yang dapat diperkirakan.
Tiga tahun berlalu; Hodaka, yang sedang dalam masa percobaan, lulus SMA dan segera kembali tinggal di Tokyo yang kini setengah terendam. Dia pergi menemui Fumi, yang berbicara dengannya tentang hujan, dan kemudian Keisuke, yang telah memperluas bisnisnya untuk berbicara tentang bertemu Hina. Dia kemudian mencari Hina yang belum dia ajak bicara selama tiga tahun terakhir. Saat berjalan di hari hujan, dia menemukan Hina sedang berdoa di ujung jalan, dan keduanya akhirnya bersatu kembali.
