5 cm par Second se compose de trois courts métrages ayant pour personnages principaux deux jeunes écoliers, Tohno Takaki et Akari Shinohara. La vie les séparant, l'amour les fera se retrouver une dernière fois dans la première histoire. La deuxième histoire permet de retrouver le héros Takaki dont la camarade de classe, Kanae Sumita, va essayer de se déclarer à lui. Dans le dernier court métrage, les personnages du premier segment sont de nouveau réunis. Cependant, le temps les a définitivement séparés et seul un souvenir commun les relie.

Episode 1: Cherry Blossom

Takaki Tono se lie rapidement d'amitié avec Akari Shinohara à l'école primaire. Ils partagent les mêmes intérêts et ont les mêmes manies. Ainsi tous deux préfèrent rester à l'intérieur durant l'été, afin d'éviter les allergies saisonnières. Ils ont tous deux un profond respect envers l'autre, et s'appellent par leur propre nom, sans aucune formule honorifique, ce qui demeure très rare au Japon. Mais Akari va bientôt partir à Tochigi, en raison de la mutation de ses parents. Ils décident alors de garder le contact en s'envoyant des lettres, mais la distance tend à séparer les deux amis puisque Takaki va également partir vers Kagoshima.  Ce dernier décide alors d'aller voir Akari, car ils seront trop éloignés pour se rendre mutuellement visite après, et lui prépare également une lettre révélant ses véritables sentiments ...

Episode 2: Cosmonaut

Takaki est maintenant en troisième année du deuxième cycle du secondaire à Tanegashima. Kanae Sumida, une camarade de classe de Takaki, est amoureuse de Takaki depuis qu'elle a rencontré au collège, mais n'a pas le courage de confesser ouvertement ses sentiments. Elle passe tout le temps qu'elle peut avec lui, mais Takaki ne la considère que comme une amie.

Episode 3: 5 Centimeters Per Second

En 2005, les trois personnages ont chacun pris leur propre voie. Takaki est maintenant programmeur à Tokyo, et Akari se prépare pour son mariage. On ne sait pas vraiment ce que Kanae est devenue, mais elle semble être en forme. Malgré les ans, Takaki n'a pas oublié Akari, et sa vie sentimentale s'en ressent. Un jour pourtant, le destin va faire qu'ils croiseront à nouveau leur route, et qu'ils se reconnaîtront instantanément. Mais un passage à niveau les sépare et lorsque les trains sont passés, Akari a disparu. Takaki esquisse un sourire puis reprend sa route ...