《秒速5厘米》以一個少年為故事軸心而展開連續3個獨立故事的動畫短片。影片的時代背景是從1990年前半起至今的日本，通過少年的人生展現東京以及其他地區的變遷。
本作由三個獨立故事的動畫短片構成。第一話《櫻花抄》描述貴樹與明里年幼時戀愛的心情，以及他們重逢的一天，第二話《宇航員》描述以對進入高中就讀的貴樹懷有好感的澄田花苗的視角來展現貴樹與明里分別后的生活，第三話《秒速5厘米》則刻畫了貴樹和明里長大后內心的種種彷徨。
櫻花抄
遠野貴樹因為父母調職而轉校來到東京的小學。一年后，篠原明里也轉校來到同一班級。兩人因體弱多病，不擅長運動，而喜歡獨自待在圖書館。雖然年紀還小，可是兩人還是互相吸引，對方在自己心中的存在漸漸變得無法取代。但是，兩人親密的世界因明里再度轉校而悲哀地告終。之后，貴樹一直努力地適應沒有明里的世界。但在中學一年級的夏天，貴樹收到明里寫給他的信時，感情一下子再度涌現。他們開始通信，并再次得到能夠互相傳達心意的幸福。那年冬天，貴樹要轉校去一個遙遠的地方。于是兩人在信中約定了再見面的時間。
宇航員
中學二年級的第一天，澄田花苗看到從東京轉校過來的遠野貴樹時，就已經喜歡上他。無論上課時還是放學后，甚至帶狗在海邊散步時，花苗都會在視線的一角尋找他的身影。為了和貴樹在同一所高中而拼命溫習，雖然合格了但還是沒有向他告白的勇氣，一直都暗戀著貴樹。1999 年，高中三年級的夏天，不但受姐姐影響而在高中開始的滑浪陷入了低潮，而且也決定不了畢業后的出路。雖然花苗對貴樹的思念愈來愈強烈，但只是為了裝作偶然遇上而一起回家。在高中生活只剩下半年時，感到焦急的花苗做了一個決定：能夠在滑浪時再次站起來的那天，就向貴樹表白。
秒速5厘米
2007年的東京，遠野貴樹在從事系統工程師的工作，過著忙碌的日子。出來社會工作后，季節和季節、年和年之間的區分變得曖昧起來，不知不覺就過了數年。那年年尾，貴樹和交往了3年的水野理紗分手了。2008年，貴樹在春天來臨前辭職了。他既覺得有無數的理由要他這樣做，同時又覺得能令自己接受的理由其實一個也沒有。不久空氣慢慢變得暖和，櫻花的季節也到訪東京。在一個恬靜的平日，中午過后，貴樹披上薄外套，走在街上。
《秒速5厘米》經典臺詞
我要用什么樣的速度，才能與你相遇
我一直在找尋你的蹤跡
對面的房子 小巷深處的門邊
雖然明知你不可能在那里
若能實現愿望的話 我想馬上飛到你身邊
我一直在找尋你的蹤跡
在四岔路口 在夢中
雖然明知你不可能在那里
如果能發生奇跡的話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的蹤跡
在明亮的大街 那櫻花街上
雖然明知道你不會來這樣的地方
如果能有奇跡的話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的蹤跡
周圍的小店 抑或是報紙的一角
雖然明知那里不會有
如果能發生奇跡的話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的笑容
等電車時的空隙 看看鐵路的拐角
雖說她根本不可能出現在那里
如果還有來生 我無論如何都要來到你身邊
我已經沒有了其他想要追求的東西
因為沒有比你更重要的了
貴樹同學
要是明年也能一起賞櫻花就好了
遠野貴樹敬啟
許久未曾與你聯絡
雖然我們這里的夏天也很炎熱
但跟東京比起來 感覺舒服多了
不過現在想想
我也很喜歡東京悶熱的夏季
好似要溶化了一般的柏油路
透過悶熱空氣望見的高樓大廈
還有像便利店和地鐵站里涼到發冷的冷氣
我們最后見面 是在小學的畢業典禮上吧
如今已經過去了半年
喂 貴樹同學
你還記得我嘛
前略 致貴樹同學
感謝你的回信 我很開心
已是深秋
這里的楓葉很美
前天 我把今年先要穿的毛衣拿出來了
最近有社團活動 早上都起得很早
這封信是在電車里寫的
前陣子把頭發剪了
短到露出了耳朵
要是見面了 你也許都認不出我了
前略 貴樹同學
能在3月4日的見面 我真的很開心
已經1年多沒有見面了呢
總覺得很緊張
我家附近 有一棵很大的櫻花樹
到了春天 那邊的櫻花大概
也會以每秒五厘米的速度飄落吧
我想要是春天能和貴樹同學一起賞花就好了……
原野桂樹：
我深知，這之后我們無法一直守在一起，擋在我們面前的是巨大龐然的人生，阻隔在我們中間的是廣闊無際的時間，令我們無能為力
那一瞬間，我似乎明白了，永恒，心靈，靈魂這些東西究竟存于何處。突然間我有種錯覺，仿佛在和明里一起分享了自己十三年來的點點滴滴。緊接著，下一刻，我覺得極其難受，因為我已經不知道，該如何去珍惜明里的那份溫存，那份情意，該將它們帶向何處。我深知，這以后的將來，我們不可能一起走過。對于命途多舛的人生，以及渺茫的時間，阻擋在我們之間這一事實，我們無可奈何。可是，籠罩著我的那份不安，漸漸消逝了，余下的，就只有明里雙唇留下的溫存……
明里：
櫻花下落的速度，依舊是秒速五厘米。而不論我們之間通過千條短信，我們之間的距離也不會拉近一厘米……
那一瞬間 感覺自己似乎明白了所謂永遠 心靈 還有靈魂的所在之處就像是同對方分享了自己這十三年的全部人生一般 而接下來的瞬間變得無比悲傷
我強烈的感覺到 現在 回過頭去的話 對方一定也會回過頭來
