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Nel 2013, Mitsuha Miyamizu è una liceale che vive nella città rurale di Itomori, in Giappone. Annoiata dalla città, desidera essere un ragazzo di Tokyo nella sua prossima vita. Un giorno, inspiegabilmente, inizia a scambiare il proprio corpo con Taki Tachibana, un ragazzo delle superiori di Tokyo. Così, quando si svegliano l'uno come l'altro in alcune mattine, devono vivere le rispettive attività e interazioni sociali della giornata. Imparano a comunicare l'uno con l'altro lasciando messaggi su carta, telefoni e talvolta sulla pelle dell'altro. Mitsuha (nel corpo di Taki) organizza un appuntamento con la collega Miki Okudera, mentre Taki (nel corpo di Mitsuha) fa sì che Mitsuha diventi popolare a scuola. Un giorno, Taki (nel corpo di Mitsuha) accompagna la nonna di Mitsuha, Hitoha, e la sorella minore Yotsuha a lasciare l'alcol rituale kuchikamizake, preparato dalle sorelle, come offerta al santuario shintoista situato sulla cima di una montagna fuori città. Si ritiene che rappresenti il corpo del dio guardiano del villaggio che governa i legami umani e il tempo. Taki legge una nota di Mitsuha sulla cometa Tiamat, che dovrebbe passare vicino alla Terra il giorno della festa d'autunno. Il giorno dopo, Taki si risveglia nel suo corpo e va ad un appuntamento con Miki, che gli dice di aver apprezzato l'appuntamento ma anche che si accorge che è preoccupato dai pensieri di qualcun altro. Taki tenta di chiamare Mitsuha al telefono ma non riesce a raggiungerla perché lo scambio di corpi termina.

Taki, Miki e il loro amico Tsukasa si recano a Gifu in treno per un viaggio verso Hida alla ricerca di Mitsuha. Tuttavia, Taki non conosce il nome di Itomori e si affida ai suoi schizzi a memoria del paesaggio circostante. Il proprietario di un ristorante di Takayama riconosce la città nello schizzo, essendo originario del luogo. Accompagna Taki e i suoi amici alle rovine di Itomori, che è stata distrutta e dove 500 residenti sono rimasti uccisi quando Tiamat si è inaspettatamente frammentato passando davanti alla Terra tre anni prima. Taki osserva che i messaggi di Mitsuha scompaiono dal suo telefono e i suoi ricordi iniziano a svanire gradualmente, rendendosi conto che i due sono stati separati dal tempo, come lui nel 2016. Taki trova il nome di Mitsuha nel registro delle vittime. Mentre Miki e Tsukasa tornano a Tokyo, Taki si reca al santuario, sperando di riallacciare i rapporti con Mitsuha e di metterla in guardia da Tiamat. Lì, Taki beve il kuchikamizake di Mitsuha e poi ha una visione in cui intravede il passato di Mitsuha. Ricorda anche di aver incontrato Mitsuha su un treno quando lei era venuta a Tokyo il giorno prima dell'evento per cercarlo, anche se Taki non l'aveva riconosciuta perché lo scambio di corpi non era ancora avvenuto nella sua epoca. Prima di lasciare il treno in preda all'imbarazzo, Mitsuha gli aveva passato il suo nastro per capelli, che da allora porta al polso come portafortuna.

Taki si risveglia nel corpo di Mitsuha a casa sua la mattina del festival. Hitoha deduce cosa è successo e gli dice che l'abilità di mutare corpo è stata tramandata dalla sua famiglia in quanto custode del santuario. Taki convince Tessie e Sayaka, due amiche di Mitsuha, a far evacuare Itomori dalla città disattivando la sottostazione elettrica e trasmettendo un falso allarme di emergenza. Taki si reca al santuario e capisce che Mitsuha deve essere nel suo corpo, mentre Mitsuha si risveglia nel corpo di Taki. Al tramonto, i due percepiscono la presenza reciproca sulla cima della montagna, ma sono separati a causa del contrasto temporale e non possono vedersi. Quando cala il crepuscolo, tornano nei loro corpi e si vedono di persona. Dopo che Taki restituisce il nastro di Mitsuha, i due cercano di scrivere i loro nomi sui palmi delle mani in modo da ricordarsi l'un l'altro. Tuttavia, prima che Mitsuha possa scrivere il suo, passa il crepuscolo e i due tornano ai rispettivi tempi. Quando il piano di evacuazione fallisce, Mitsuha deve convincere suo padre Toshiki, il sindaco di Itomori, a evacuare tutti. Prima di farlo, Mitsuha si accorge che i suoi ricordi di Taki stanno svanendo e scopre che lui le ha scritto "Ti amo" sulla mano invece del suo nome. Dopo l'incidente di Tiamat, Taki, nella sua epoca, non ricorda nulla.

Cinque anni dopo, Taki, dopo essersi laureato, è alla ricerca di un lavoro. Sente di aver perso qualcosa di vitale che non riesce a identificare e prova un inspiegabile interesse per gli eventi che circondano Tiamat, ormai otto anni dopo: Itomori è stata distrutta, ma tutti i suoi abitanti sono sopravvissuti perché sono stati evacuati appena in tempo. Nel frattempo Mitsuha si è trasferita a Tokyo. Qualche tempo dopo, Taki e Mitsuha si intravedono quando i loro rispettivi treni si incrociano e sono immediatamente attratti dalla ricerca l'uno dell'altra, scendono e corrono a cercarsi, incontrandosi infine sulle scale del Santuario Suga. Taki chiama Mitsuha dicendo che sente di conoscerla e lei risponde allo stesso modo. Avendo finalmente trovato ciò che ognuno di loro aveva cercato a lungo, versano lacrime di felicità e si chiedono contemporaneamente il proprio nome.