In einem nahegelegenen Zukunfts-Japan endet die erste bemannte Raumfahrtmission des Landes in einer Katastrophe. Die Rakete namens Lion explodiert kurz nach dem Start, stürzt in die Küstenstadt Yuigahama und verursacht zahlreiche zivile Opfer. Unter den Überlebenden ist ein einjähriges Mädchen namens Asumi Kamogawa, dessen Mutter ins Koma fällt und nie wieder erwacht. Jahre später, als Japan versucht, sein Raumfahrtprogramm wiederzubeleben, trägt eine entschlossene Asumi die Erinnerung an die Katastrophe und ihre verlorene Mutter mit sich, während sie einen unmöglichen Traum verfolgt: Astronautin zu werden.

Die Geschichte folgt Asumi, als sie die neu gegründete Tokyo Space Academy betritt, eine Berufsoberschule zur Ausbildung der nächsten Generation von Raumfahrern. Sie gehört zu den ersten Studenten, die für den anspruchsvollen Astronautentrainingskurs ausgewählt wurden, ein Programm, das junge Kandidaten an ihre physischen und mentalen Grenzen bringen soll. Trotz ihrer kleinen Statur und dem anhaltenden Trauma des Lion-Unfalls zeichnet Asumi ihre unerschütterliche Leidenschaft für die Sterne aus. An der Akademie schließt sie sich einer eng verbundenen Freundesgruppe an, die ihren Ehrgeiz teilt. Dazu gehören Shinnosuke Fuchuya, ihr loyaler und neckender Kindheitsfreund, der heimlich romantische Gefühle für sie hegt; Shu Suzuki, der lockere, aber hochtalentierte Musterschüler, der eine verborgene Krankheit mit sich trägt; Kei Oumi, ein offenes und äußerst loyales Mädchen, das Asumis erste Freundin bei der Aufnahmeprüfung wird; und Marika Ukita, eine kalte und distanzierte Einzelgängerin, die sich schließlich als menschlicher Klon entpuppt, geschaffen, um ein verstorbenes Original zu ersetzen, trotz eines internationalen Verbots dieser Praxis.

Während ihres Trainings durchlaufen die Kandidaten eine Reihe von strapaziösen Prüfungen, von Überlebenstests und Schwerelosigkeitssimulationen bis hin zu Höhendruckkammer-Ordalien. Die Ausbilder der Akademie sind nicht immer unterstützend; ein Lehrer, Takahito Sano, hegt einen Groll gegen Asumi, weil er fälschlicherweise glaubt, ihr Vater, ein Konstrukteur der unglückseligen Lion-Rakete, trage die Verantwortung für die Katastrophe. Als die Gruppe enger zusammenwächst, geben sie sich das feierliche Versprechen, das Programm gemeinsam abzuschließen. Doch dann schlägt die Tragödie zu, als Shu für ein Austauschprogramm mit der amerikanischen Raumfahrtbehörde ausgewählt wird. Er stirbt an einer erblichen Lungenerkrankung, hustet Blut und hinterlässt seine Freunde am Boden zerstört. Kei, die ihre Gefühle für ihn verborgen hatte, ist besonders erschüttert.

Die Live-Action-Adaption entfernt bemerkenswerterweise das übernatürliche Element des geisterhaften Astronauten Mr. Lion, der im Original-Manga und -Anime als Asumis spiritueller Berater dient. Stattdessen konzentriert sich das Drama auf die realistischen Kämpfe seiner jungen Protagonisten. Die Geschichte erkundet Themen wie Trauer, nationale Schuldgefühle angesichts der Lion-Katastrophe und die Opfer, die nötig sind, um nach den Sternen zu greifen. Als die Serie ihrem Finale entgegengeht, erfahren die verbliebenen Kandidaten, dass einer von ihnen für Japans zweite bemannte Mission ausgewählt wird, einen Flug zur Fertigstellung eines weltraumgestützten Solarenergiesatelliten. Nach drei Jahren intensiven Trainings wird Asumi schließlich ausgewählt und wird mit achtzehn Jahren die jüngste Person, die jemals ins All fliegt. In einer ergreifenden Schlussszene trägt sie Shus Asche mit sich auf die Reise und erfüllt so ein Versprechen, das unter den Sternen gegeben wurde, während die Rakete zum Doppelstern Spica abhebt.