Im nahegelegenen Tokio der Zukunft führt die siebzehnjährige Iroha Sakayori ein streng durchstrukturiertes Leben, das einen anspruchsvollen akademischen Zeitplan mit Teilzeitarbeit vereint, um sich selbst zu versorgen. Ihre einzige Flucht vor dem Druck ist die virtuelle Welt von Tsukuyomi, wo sie eine hingebungsvolle Fan von Yachiyo Runami ist, einer äußerst beliebten KI-Streamerin und Administratorin der Welt. Irohas starre Routine wird auf den Kopf gestellt, als sie ein mysteriöses Baby in einem leuchtenden Versorgungsmast entdeckt. Da sie das Kind nicht zurücklassen kann, nimmt sie es mit nach Hause, nur um zu beobachten, wie es innerhalb weniger Tage zu einem Teenager heranwächst. Sie nennt sie Kaguya, nach der Mondprinzessin aus dem alten Volksmärchen, und erfährt bald, dass das Mädchen kein gewöhnlicher Mensch ist, sondern eine Ausreißerin vom Mond, die aus Langeweile mit der sterilen, emotionslosen Existenz ihrer Heimatwelt geflohen ist.

Auf Kaguyas Drängen hin willigt Iroha ein, ihr dabei zu helfen, Streamerin auf Tsukuyomi zu werden. Iroha produziert Musik, während Kaguya auftritt, und das Duo beginnt, in den Ranglisten der virtuellen Plattform aufzusteigen, wodurch schließlich Yachiyo selbst auf sie aufmerksam wird. Ihr aufsteigender Erfolg zieht jedoch eine bedrohliche Gefahr nach sich. Wie von der ursprünglichen Legende vorhergesagt, treffen Gesandte vom Mond, bekannt als Lunarians, ein, um ihre Prinzessin zurückzuholen. Ein Termin für Kaguyas erzwungene Rückkehr wird festgesetzt, und trotz Irohas verzweifelter Versuche, sie zu schützen, kann sie die Abreise letztendlich nicht verhindern. Als Kaguya zum Mond zurückkehrt, singt Iroha ihr ein letztes Mal zu. Dieses Lied löst einen katastrophalen Zeitunfall aus, der Kaguya nicht in die Zukunft, sondern achttausend Jahre in die Vergangenheit der Erde schickt.

Gestrandet in einer primitiven Ära mit einem beschädigten Gefährt, kann Kaguya nur als körperloses Bewusstsein existieren. Über die folgenden Jahrtausende nimmt sie den langsamen Weg zurück in die Gegenwart und wird zu einer stillen Beobachterin der menschlichen Geschichte. Um ihre schließliche Wiedervereinigung mit Iroha zu sichern, pflanzt sie die Geschichte des Bambusschneiders subtil in die menschliche Kultur ein, in der Hoffnung, dass die Erzählung die Zeiten überdauert. Als die moderne Ära naht, konstruiert sie die virtuelle Welt Tsukuyomi und erschafft ihr eigenes digitales Abbild, Yachiyo, genau die KI-Ikone, die Iroha von Anfang an verehrt hatte. Die gesamte Zeitlinie bildet eine stabile Kausalschleife: Kaguya wird zu Yachiyo, um Iroha zu inspirieren, die dann Kaguya aufzieht, die dann zu Yachiyo wird.

Als Iroha schließlich die Wahrheit enthüllt, dass Yachiyo das erwachsene, zeitgezeichnete Bewusstsein des Mädchens ist, das sie aufgezogen hat, weigert sie sich, ein Schicksal der ewigen Trennung durch ein digitales Medium zu akzeptieren. Sie entscheidet sich, den Kreislauf zu durchbrechen, und widmet ihr Leben der Ingenieurskunst. Sie verlässt ihren ursprünglichen Karriereweg und verbringt ein Jahrzehnt damit, fortschrittliche biomechanische Körper zu entwickeln. Ihr Ziel ist es, Yachiyo eine echte, physische Form zu geben, die Wärme, Geschmack und Berührung erfahren kann. Nach Jahren der Arbeit gelingt es ihr, einen Körper für die uralte Mondprinzessin zu bauen, sodass die beiden sich endlich in der physischen Welt wiedervereinen können. Während diese spezifische Zeitlinie ein glückliches Ende findet, deutet die Erzählung an, dass die ursprüngliche Zeitschleife weiterhin als notwendige Grundlage für ihr Wunder existiert, was darauf hindeutet, dass andere Versionen von Iroha und Kaguya in dem endlosen Kreislauf gefangen bleiben.