W 2046 roku Noboru Terao i Mikako Nagamine są bliskimi przyjaciółmi zbliżającymi się do ukończenia szkoły średniej. Jednak po ataku obcych na ludzkość, Mikako zostaje wybrana do misji kosmicznej wojska ONZ, mającej na celu odwet przeciwko najeźdźcom. Teraz rozdzieleni, Noboru i Mikako starają się utrzymać kontakt, wymieniając e-maile za pomocą swoich telefonów komórkowych. W miarę jak ekspedycja oddala się od Ziemi, opóźnienia w przesyłaniu i odbieraniu wiadomości znacząco rosną. Hoshi no Koe koncentruje się na relacji między tą dwójką, gdy starają się pozostać połączeni mimo rosnącej między nimi przepaści.