《秒速5釐米》以一個少年爲故事軸心而展開連續3個獨立故事的動畫短片。影片的時代背景是從1990年前半起至今的日本，通過少年的人生展現東京以及其他地區的變遷。
本作由三個獨立故事的動畫短片構成。第一話《櫻花抄》描述貴樹與明裏年幼時戀愛的心情，以及他們重逢的一天，第二話《宇航員》描述以對進入高中就讀的貴樹懷有好感的澄田花苗的視角來展現貴樹與明裏分別後的生活，第三話《秒速5釐米》則刻畫了貴樹和明裏長大後內心的種種彷徨。
櫻花抄
遠野貴樹因爲父母調職而轉校來到東京的小學。一年後，篠原明裏也轉校來到同一班級。兩人因體弱多病，不擅長運動，而喜歡獨自待在圖書館。雖然年紀還小，可是兩人還是互相吸引，對方在自己心中的存在漸漸變得無法取代。但是，兩人親密的世界因明裏再度轉校而悲哀地告終。之後，貴樹一直努力地適應沒有明裏的世界。但在中學一年級的夏天，貴樹收到明裏寫給他的信時，感情一下子再度涌現。他們開始通信，並再次得到能夠互相傳達心意的幸福。那年冬天，貴樹要轉校去一個遙遠的地方。於是兩人在信中約定了再見面的時間。
宇航員
中學二年級的第一天，澄田花苗看到從東京轉校過來的遠野貴樹時，就已經喜歡上他。無論上課時還是放學後，甚至帶狗在海邊散步時，花苗都會在視線的一角尋找他的身影。爲了和貴樹在同一所高中而拼命溫習，雖然合格了但還是沒有向他告白的勇氣，一直都暗戀着貴樹。1999 年，高中三年級的夏天，不但受姐姐影響而在高中開始的滑浪陷入了低潮，而且也決定不了畢業後的出路。雖然花苗對貴樹的思念愈來愈強烈，但只是爲了裝作偶然遇上而一起回家。在高中生活只剩下半年時，感到焦急的花苗做了一個決定：能夠在滑浪時再次站起來的那天，就向貴樹表白。
秒速5釐米
2007年的東京，遠野貴樹在從事系統工程師的工作，過着忙碌的日子。出來社會工作後，季節和季節、年和年之間的區分變得曖昧起來，不知不覺就過了數年。那年年尾，貴樹和交往了3年的水野理紗分手了。2008年，貴樹在春天來臨前辭職了。他既覺得有無數的理由要他這樣做，同時又覺得能令自己接受的理由其實一個也沒有。不久空氣慢慢變得暖和，櫻花的季節也到訪東京。在一個恬靜的平日，中午過後，貴樹披上薄外套，走在街上。
《秒速5釐米》經典臺詞
我要用什麼樣的速度，才能與你相遇
我一直在找尋你的蹤跡
對面的房子 小巷深處的門邊
雖然明知你不可能在那裏
若能實現願望的話 我想馬上飛到你身邊
我一直在找尋你的蹤跡
在四岔路口 在夢中
雖然明知你不可能在那裏
如果能發生奇蹟的話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的蹤跡
在明亮的大街 那櫻花街上
雖然明知道你不會來這樣的地方
如果能有奇蹟的'話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的蹤跡
周圍的小店 抑或是報紙的一角
雖然明知那裏不會有
如果能發生奇蹟的話 我想馬上見到你
我一直在找尋你的笑容
等電車時的空隙 看看鐵路的拐角
雖說她根本不可能出現在那裏
如果還有來生 我無論如何都要來到你身邊
我已經沒有了其他想要追求的東西
因爲沒有比你更重要的了
貴樹同學
要是明年也能一起賞櫻花就好了
遠野貴樹敬啓
許久未曾與你聯絡
雖然我們這裏的夏天也很炎熱
但跟東京比起來 感覺舒服多了
不過現在想想
我也很喜歡東京悶熱的夏季
好似要溶化了一般的柏油路
透過悶熱空氣望見的高樓大廈
還有像便利店和地鐵站裏涼到發冷的冷氣
我們最後見面 是在小學的畢業典禮上吧
如今已經過去了半年
喂 貴樹同學
你還記得我嘛
前略 致貴樹同學
感謝你的回信 我很開心
已是深秋
這裏的楓葉很美
前天 我把今年先要穿的毛衣拿出來了
最近有社團活動 早上都起得很早
這封信是在電車裏寫的
前陣子把頭髮剪了
短到露出了耳朵
要是見面了 你也許都認不出我了
前略 貴樹同學
能在3月4日的見面 我真的很開心
已經1年多沒有見面了呢
總覺得很緊張
我家附近 有一棵很大的櫻花樹
到了春天 那邊的櫻花大概
也會以每秒五釐米的速度飄落吧
我想要是春天能和貴樹同學一起賞花就好了……
原野桂樹：
我深知，這之後我們無法一直守在一起，擋在我們面前的是巨大龐然的人生，阻隔在我們中間的是廣闊無際的時間，令我們無能爲力
那一瞬間，我似乎明白了，永恆，心靈，靈魂這些東西究竟存於何處。突然間我有種錯覺，彷彿在和明裏一起分享了自己十三年來的點點滴滴。緊接着，下一刻，我覺得極其難受，因爲我已經不知道，該如何去珍惜明裏的那份溫存，那份情意，該將它們帶向何處。我深知，這以後的將來，我們不可能一起走過。對於命途多舛的人生，以及渺茫的時間，阻擋在我們之間這一事實，我們無可奈何。可是，籠罩着我的那份不安，漸漸消逝了，餘下的，就只有明裏雙脣留下的溫存……
明裏：
櫻花下落的速度，依舊是秒速五釐米。而不論我們之間通過千條短信，我們之間的距離也不會拉近一釐米……
那一瞬間 感覺自己似乎明白了所謂永遠 心靈 還有靈魂的所在之處就像是同對方分享了自己這十三年的全部人生一般 而接下來的瞬間變得無比悲傷
我強烈的感覺到 現在 回過頭去的話 對方一定也會回過頭來
我依舊還是喜歡着你。我們即使發了一千次短信，但心與心之間，估計只能靠近一釐米。
最喜歡的一句：櫻花下落的速度，依舊是秒速五釐米。而不論我們之間通過千條短信，我們之間的距離也不會拉近一釐米……
時間帶着鮮明的惡意...慢慢從我身上流走...
“只是簡單的生活着，悲傷卻到處累積”。。。
“這真是一段孤獨到無法想像的旅程。在真正黑暗中獨自前行，就連一個氫原子都很難踫到。只是一心要接近應該在深遠中的世界的祕密。我想這樣的，會走到哪裏，究竟能走到哪裏.....”
這幾年，我拼命的想要掙扎前進，但想要觸碰到無法觸及的東西，不知道具體是什麼，這份執念幾乎已經成爲一種負擔，也不知從何處不斷的涌出來，我只能拼命的去工作，驀然回首，歲月中不斷流逝着彈性的心靈已經無比的疼痛，然後在一個清晨，忽然發現，曾經的刻骨銘心的回憶，已經在慢慢的消失。明白自己已經到了極限。
即使我們之間發了一千次短信.但心與心之間.估計只能接近一釐米
在我們之間 無情地橫陳着 對我們而言還過於沉重的人生 和難以跨越的時間
我一直在四處尋找你的碎片，雖然知道你不可能出現在那些地方
昨天 我做了一個夢
一個很久之前的夢
在夢裏 我們還只有13歲
在夢裏 一片被白雪覆蓋的廣闊的田園上
僅僅能從遠方 些許地看到燈光
剛剛積起的雪地 只有我們走過時留下的足跡
就是這樣
什麼時候 能再一次一起賞櫻花
我和他 毫不猶豫地…
這麼想着…
