離島から東京へ家出してきた高校生・森嶋帆高は、孤独と貧困の果てに怪しげなオカルト系編集プロダクションを営む須賀圭介に拾われます。そこで出会ったのが、祈るだけで天気を晴れにできる不思議な能力を持つ少女・天野陽菜でした。帆高と陽菜、そして弟の凪は、天気を晴れにする「お天気ビジネス」を始め、人々に笑顔と希望を届けていきます。
しかし、「100%の晴れ女」の力には過酷な代償が存在していました。天気の巫女は、異常気象を鎮めるための「人柱（生贄）」となる運命を背負っていたのです。陽菜の身体は徐々に透明化し、観測史上最悪の大雪が降った真夏の夜、彼女は世界を元に戻すために人柱として天へと消えてしまいます。翌朝、東京は見事な快晴を取り戻しました。
警察に追われながらも、帆高は廃ビルの屋上にある鳥居をくぐり、空の上の世界へと飛び込みます。世界中の天気を正常に戻すことよりも、愛する陽菜の手を握りしめることを選んだ帆高は、「天気なんて、狂ったままでいいんだ！」と叫び、陽菜を現世へと連れ戻します。その代償として東京には止まない雨が降り注ぎ続け、3年後、首都の主要部分は広大に水没することになります。
帆高がこの選択を下した理由は、彼が故郷の島で感じていた「息苦しさや理不尽な抑圧」と深く結びついています。社会の規範や大人の都合に従って誰かを切り捨てる倫理観に対し、帆高は自らの意志で陽菜という実存を選び取りました。新海監督は当時の劇場パンフレットや各種メディアインタビューにおいて、「誰にも迷惑をかけない正しい選択ではなく、たとえ誰かに非難されても選びたいものを選ぶ少年の物語を描きたかった」と明言しています。
