《秒速5厘米》以一个少年为故事轴心而展开连续3个独立故事的动画短片。影片的时代背景是从1990年前半起至今的日本，通过少年的人生展现东京以及其他地区的变迁。
本作由三个独立故事的动画短片构成。第一话《樱花抄》描述贵树与明里年幼时恋爱的心情，以及他们重逢的一天，第二话《宇航员》描述以对进入高中就读的贵树怀有好感的澄田花苗的视角来展现贵树与明里分别后的生活，第三话《秒速5厘米》则刻画了贵树和明里长大后内心的种种彷徨。
樱花抄
远野贵树因为父母调职而转校来到东京的小学。一年后，篠原明里也转校来到同一班级。两人因体弱多病，不擅长运动，而喜欢独自待在图书馆。虽然年纪还小，可是两人还是互相吸引，对方在自己心中的存在渐渐变得无法取代。但是，两人亲密的世界因明里再度转校而悲哀地告终。之后，贵树一直努力地适应没有明里的世界。但在中学一年级的夏天，贵树收到明里写给他的信时，感情一下子再度涌现。他们开始通信，并再次得到能够互相传达心意的幸福。那年冬天，贵树要转校去一个遥远的地方。于是两人在信中约定了再见面的时间。
宇航员
中学二年级的第一天，澄田花苗看到从东京转校过来的远野贵树时，就已经喜欢上他。无论上课时还是放学后，甚至带狗在海边散步时，花苗都会在视线的一角寻找他的身影。为了和贵树在同一所高中而拼命温习，虽然合格了但还是没有向他告白的勇气，一直都暗恋着贵树。1999 年，高中三年级的夏天，不但受姐姐影响而在高中开始的滑浪陷入了低潮，而且也决定不了毕业后的出路。虽然花苗对贵树的思念愈来愈强烈，但只是为了装作偶然遇上而一起回家。在高中生活只剩下半年时，感到焦急的花苗做了一个决定：能够在滑浪时再次站起来的那天，就向贵树表白。
秒速5厘米
2007年的东京，远野贵树在从事系统工程师的工作，过着忙碌的日子。出来社会工作后，季节和季节、年和年之间的区分变得暧昧起来，不知不觉就过了数年。那年年尾，贵树和交往了3年的水野理纱分手了。2008年，贵树在春天来临前辞职了。他既觉得有无数的理由要他这样做，同时又觉得能令自己接受的理由其实一个也没有。不久空气慢慢变得暖和，樱花的季节也到访东京。在一个恬静的平日，中午过后，贵树披上薄外套，走在街上。
《秒速5厘米》经典台词
我要用什么样的速度，才能与你相遇
我一直在找寻你的踪迹
对面的房子 小巷深处的门边
虽然明知你不可能在那里
若能实现愿望的话 我想马上飞到你身边
我一直在找寻你的踪迹
在四岔路口 在梦中
虽然明知你不可能在那里
如果能发生奇迹的话 我想马上见到你
我一直在找寻你的踪迹
在明亮的大街 那樱花街上
虽然明知道你不会来这样的地方
如果能有奇迹的话 我想马上见到你
我一直在找寻你的踪迹
周围的小店 抑或是报纸的一角
虽然明知那里不会有
如果能发生奇迹的话 我想马上见到你
我一直在找寻你的笑容
等电车时的空隙 看看铁路的拐角
虽说她根本不可能出现在那里
如果还有来生 我无论如何都要来到你身边
我已经没有了其他想要追求的东西
因为没有比你更重要的了
贵树同学
要是明年也能一起赏樱花就好了
远野贵树敬启
许久未曾与你联络
虽然我们这里的夏天也很炎热
但跟东京比起来 感觉舒服多了
不过现在想想
我也很喜欢东京闷热的夏季
好似要溶化了一般的柏油路
透过闷热空气望见的高楼大厦
还有像便利店和地铁站里凉到发冷的冷气
我们最后见面 是在小学的毕业典礼上吧
如今已经过去了半年
喂 贵树同学
你还记得我嘛
前略 致贵树同学
感谢你的回信 我很开心
已是深秋
这里的枫叶很美
前天 我把今年先要穿的毛衣拿出来了
最近有社团活动 早上都起得很早
这封信是在电车里写的
前阵子把头发剪了
短到露出了耳朵
要是见面了 你也许都认不出我了
前略 贵树同学
能在3月4日的见面 我真的很开心
已经1年多没有见面了呢
总觉得很紧张
我家附近 有一棵很大的樱花树
到了春天 那边的樱花大概
也会以每秒五厘米的速度飘落吧
我想要是春天能和贵树同学一起赏花就好了……
原野桂树：
我深知，这之后我们无法一直守在一起，挡在我们面前的是巨大庞然的人生，阻隔在我们中间的是广阔无际的时间，令我们无能为力
那一瞬间，我似乎明白了，永恒，心灵，灵魂这些东西究竟存于何处。突然间我有种错觉，仿佛在和明里一起分享了自己十三年来的点点滴滴。紧接着，下一刻，我觉得极其难受，因为我已经不知道，该如何去珍惜明里的那份温存，那份情意，该将它们带向何处。我深知，这以后的将来，我们不可能一起走过。对于命途多舛的人生，以及渺茫的时间，阻挡在我们之间这一事实，我们无可奈何。可是，笼罩着我的那份不安，渐渐消逝了，余下的，就只有明里双唇留下的温存……
明里：
樱花下落的速度，依旧是秒速五厘米。而不论我们之间通过千条短信，我们之间的距离也不会拉近一厘米……
那一瞬间 感觉自己似乎明白了所谓永远 心灵 还有灵魂的所在之处就像是同对方分享了自己这十三年的全部人生一般 而接下来的瞬间变得无比悲伤
我强烈的感觉到 现在 回过头去的话 对方一定也会回过头来
