Vào năm 2046, Noboru Terao và Mikako Nagamine là bạn thân, sắp tốt nghiệp trung học cơ sở. Nhưng sau một cuộc tấn công của người ngoài hành tinh vào loài người, Mikako được chọn tham gia chuyến thám hiểm không gian của quân đội Liên Hợp Quốc nhằm trả thù người ngoài hành tinh. Bị chia cắt, Noboru và Mikako cố gắng giữ liên lạc bằng cách gửi email cho nhau bằng điện thoại di động của họ. Tuy nhiên, khi đoàn thám hiểm hành trình ngày càng xa Trái đất, thời gian để họ truyền và nhận tin nhắn của nhau tăng lên đáng kể. Hoshi no Koe xoay quanh mối quan hệ giữa cặp đôi này khi họ cố gắng duy trì kết nối bất chấp khoảng cách ngày càng tăng giữa họ.