Tahun 2046, Noboru Terao dan Mikako Nagamine adalah teman dekat yang sebentar lagi akan lulus dari sekolah menengah pertama. Namun, setelah serangan alien terhadap umat manusia, Mikako terpilih untuk bergabung dalam ekspedisi militer antariksa PBB yang bertujuan untuk membalas serangan alien tersebut. Terpisah, Noboru dan Mikako berusaha tetap terhubung dengan mengirimkan email satu sama lain menggunakan ponsel mereka. Namun, seiring ekspedisi menjauh dari Bumi, waktu yang dibutuhkan untuk mengirim dan menerima pesan mereka meningkat secara signifikan.

Hoshi no Koe berpusat pada hubungan pasangan ini saat mereka berusaha tetap terhubung meskipun jarak di antara mereka semakin jauh.