故事開始東京奧運結束後的2021年夏天，「很想試試在那光芒之中前行！」 來自神津島高中1年級少年森嶋帆高離家出走，首次踏上東京。但他生活極之貧困，孤獨度日，終於找到的一份工作，卻只是為一本古怪的「神秘學雜誌」寫稿。跟著連日滂沱大雨，像是來映襯他的失落。 在紛紜雜沓的大都會一角，帆高遇上了一個可愛的少女陽菜。陽菜和弟弟相依為命，個性堅強、開朗，但心中隱藏一個重大祕密── 她擁有一股不可思議的力量，她說：「馬上就會放晴了喔。」 廢棄大樓雜草叢生的屋頂上，在陽菜這句話之後，烏雲散去、陽光灑落，灰色的世界恢復了鮮豔色彩。在氣候異常的時代，被捉弄的少年少女，如何「選擇」自己的生活？

　　伊豆諸島の神津島で暮らす高校1年生、森嶋帆高（もりしま ほだか）は家出し、東京本土にフェリーに乗ってやって来た。ネットカフェで暮らすも数日で所持金が尽きたため、フェリーで知り合ったライターの須賀圭介（すが けいすけ）を頼る。圭介は姪の夏美（なつみ）と2人で雑誌に記事を提供する零細編集プロダクションを営んでおり、帆高は住み込み、食事付きの条件に惹かれ、そこで働き始めた。

　　2021年（令和3年）夏の関東地方は、異常気象により長期間にわたって雨の日が続いていた。そんな中、一時的な晴天を呼ぶ「100%の晴れ女」なるものが存在するという都市伝説が流れていた。帆高はある事件から天野陽菜（あまの ひな）という少女と出会う。その少女こそが晴れ女であり、祈ることで短時間、局地的だが確実に雲の晴れ間を作る能力を持っていた。

　　陽菜は小学生の弟、凪（なぎ）と2人だけで暮らしており、経済的に困っていた。その様子をみた帆高は、晴れ女の能力で商売をすることを提案し、依頼用ウェブサイトを作成する。「晴れ女」のサービスは次第に評判を呼び、順調に仕事を増やしていく。しかし、神宮外苑花火大会[9]を晴れにする依頼の際、テレビに映ってしまい依頼が殺到したため、サービスを休業した。

　　帆高には家族により捜索願が出されていたことと、陽菜と出会った時の事件での拳銃の発砲が警察に知られていたことから、陽菜や圭介のもとに刑事が捜査に訪れ、圭介からは事務所を追い出されてしまう。さらに子供2人だけの天野家に児童相談所が介入することになり、3人が引き離されることを恐れた陽菜と凪は、帆高とともに3人で逃げ出した。

　　逃避行中に異常気象が進み、夏でありながら外気は冬の温度まで低下し、雪が降っていた。大雨で鉄道が運休となり池袋で立ち往生中の3人は暖を求めてラブホテルに泊まり、インスタント食品やカラオケで一夜を過ごす。しかし能力の代償として、陽菜の身体は次第に薄く透明になっていた。最終的に人柱として彼女が犠牲になることで異常気象が収まるという伝承のとおり、その夜に陽菜の身体は消失してしまった。

 

　　手前：本作で登場する廃ビル「代々木会館」（2019年8月より解体工事中）、ただし本作の屋上神社は架空のもの。
　　奥：新海誠監督作品では頻繁に登場するNTTドコモ代々木ビル（ドコモタワー）

　　翌朝、ホテルの部屋に警察が踏み込み、凪は児童相談所へ、帆高は警察署へと送られるが、2人ともそれぞれに脱走し、陽菜が晴れ女の能力を得た神社がある代々木の廃ビルへ向かう。一方、陽菜が人柱となったことで天候は回復したのか、東京は数か月ぶりの晴天となった。

　　警察の追跡のなか、夏美、圭介、凪の3人の助けで神社にたどり着いた帆高が祈りながら鳥居をくぐると、彼の身体は遥か上空へとワープし、積乱雲の上に囚われていた陽菜を救い出すことに成功した。2人が地上に戻ると再び豪雨が東京を覆った。それから雨は2年半の間降り続き、東京の荒川、江戸川下流域の広範囲が徐々に水没していった。再逮捕された後高校卒業までの保護観察処分が下され神津島に戻っていた帆高は、大学進学を機に東京へと再び渡り、陽菜と3年ぶりの再会を果たしたのだった。