Dengan perceraian orang tuanya, Koyomi Hidaka yang berusia tujuh tahun membuat keputusan penting untuk tinggal bersama ayahnya. Sebagai seorang peneliti di Institut Sains Virtual Jepang, ayah Koyomi terlibat dalam penyelidikan fenomena dunia paralel. Melalui pekerjaan ayahnya, anak laki-laki itu bertemu dengan Shiori Satou, putri dari peneliti lain yang telah bercerai. Tak lama kemudian mereka menjadi teman, keduanya menghabiskan sebagian besar masa kecil mereka bersama.
Seiring Koyomi dan Shiori semakin dekat selama bertahun-tahun, keduanya berniat untuk menikah di masa depan. Namun, rencana mereka terhenti ketika orang tua mereka memutuskan untuk menikah satu sama lain. Sekarang ditakdirkan menjadi saudara tiri, kedua sahabat itu menolak untuk menerima kenyataan baru mereka. Menggunakan penelitian orang tua mereka, Koyomi dan Shiori melarikan diri ke dunia paralel untuk memulai hidup baru bersama, hanya untuk menghadapi akibat yang akan membahayakan masa depan yang mereka perjuangkan.