千年一遇的彗星即将划过日本上空。在飞驒山脉深处的小镇系守町，宫水三叶是一位巫女世家的女子高中生。她的父亲是町长但已离开神社从政，母亲早逝，她与妹妹四叶和祖母一叶一起守护着宫水神社。三叶厌倦了小镇的封闭——同学们的闲言碎语、神社古老仪式的束缚、父亲冷漠的权威。她对着天空大喊：“下辈子让我做个东京的帅哥吧！”当晚，奇迹发生了。

在东京，立花泷是一个对建筑充满热情的高中生，在意大利餐厅打工，暗恋着前辈奥寺美纪。某天清晨，他在陌生的房间醒来，发现自己在三叶的身体里。同一天，三叶在泷的身体里醒来，第一次踏上了东京的土地。起初两人都以为是梦境，但随着互换越来越频繁——每周两到三次，随机发生——他们意识到这是真实的。两人约定用手机备忘录和脸上的笔记来沟通，相互制定了“互换期间行为守则”：不能乱花钱、不能破坏对方人际关系、不能偷看隐私。在互换的日子里，三叶（在泷身体里）帮泷接近了奥寺前辈，泷（在三叶身体里）则用“东京男孩”的酷劲让三叶在学校人气暴涨。

然而某天，互换突然停止了。泷每天都在手机上查看三叶的留言，却再也没有新的内容。他试图画下三叶所在的风景——飞驒山脉的环形火山口湖、古老的神社、小镇的街道——却始终无法找到那个地方。他约奥寺前辈出门，向她坦白自己一直在想另一个人。在司和奥寺的帮助下，泷凭借画作一路寻找，最终在飞驒的一家面馆认出了熟悉的地形。然而他得到的答案令人震惊：系守町在三年前的彗星灾难中已被摧毁，五百余人罹难，宫水三叶的名字赫然在遇难者名单上。

原来，泷与三叶之间的时间相差了三年。三叶是2013年的高中生，而泷是2016年的高中生。互换开始于三叶去东京寻找泷的那天——她在电车上遇到了三年前的泷，将编织的结绳送给了他。回到系守后，互换开始，但两人始终不知道时间差。泷终于理解了一切：三叶在彗星坠落前三天还在与自己互换身体，而那颗彗星的碎片在2013年10月4日晚上坠落在系守町，摧毁了整个小镇。

泷前往宫水神社的火山口湖，找到了三叶祖母曾提到的“口嚼酒”——三叶在仪式中酿造的、蕴含她半个灵魂的酒。泷饮下酒后，再次与三叶互换身体，但这次他回到了2013年10月4日——彗星坠落的当天。他必须说服三叶的父亲（町长）发布避难命令，让全镇居民转移到安全地带。然而三叶此时已经回到了自己的身体里，泷无法直接控制局面。两人在黄昏的“逢魔之时”——白天与黑夜交界的瞬间——终于在火山口湖的边缘面对面看见了彼此。他们激动地流下泪水，在对方手心写下名字。然而逢魔之时转瞬即逝，三叶的身影在泷眼前消失。泷低头看手心，发现三叶写的不是名字，而是“我喜欢你”。

三叶拼尽全力奔向町政府，试图说服父亲发布避难命令。与此同时，泷的时空意识渐渐消散，记忆开始模糊。三叶最终说服了父亲——她用祖母教给她的“宫水神社”的预言和彗星的轨迹图证明了自己的话。全镇居民在彗星坠落前转移到了初中体育馆，幸免于难。然而从此以后，泷和三叶都渐渐失去了关于对方的记忆——他们知道自己在寻找一个人，却记不起名字和模样。

五年后，2021年的东京。泷大学毕业后成为建筑师，参与城市重建规划。三叶也来到东京，在一家建筑公司工作。两人都在这座巨大的城市里寻找着某个无法名状的东西。某个冬日，两列电车在并行的轨道上交错而过，泷和三叶同时望向对面车窗，心中涌起强烈的既视感。泷走下电车，沿着台阶奔跑；三叶也走下电车，在台阶的另一端。两人在一处台阶上擦肩而过，泷终于忍不住转身喊道：“我是不是在哪里见过你？”三叶转身，泪流满面：“我也是。”两人异口同声地说出：“你的名字是——”影片在晨光中落幕。