2021年夏天，住在神津岛上的高一男生森岛帆高离家出走，独自搭乘货船来到东京新宿。帆高暂时住在网咖里，想找打工机会，但没有人要录用他。一次在歌舞伎町被皮条客欺负后，帆高意外捡到一把手枪，但不确定是不是真的。走投无路下帆高只好去找在货船上认识的作家须贺圭介。须贺和侄女夏美经营一家编辑事务所，专门向神秘学杂志投稿。须贺提供帆高包吃包住的工作机会，帆高欣然答应，开始在事务所打杂和协助写文章。
因为关东地区出现长期下雨的异常气候，“100%的晴女”这样的都市传说开始流传，据称晴女有短暂让天气放晴的能力，须贺的事务所将之列为调查的题材。一天，帆高在街上偶遇曾帮过他的打工少女，看见她和皮条客在一起，于是想强行带着她离开，但被皮条客打倒。帆高拿出捡到的枪想威吓对方，结果还真的射出了子弹。帆高和少女逃跑到附近的废弃大楼后，少女称自己是为了赚钱才和对方有牵扯，并指责帆高的危险行为。帆高将枪丢掉，少女的态度随后也转温柔，并给帆高见识她让局部的天气短暂放晴的能力，帆高因此发现她是货真价实的晴女。
少女告诉帆高自己的名字是阳菜，即将满18岁，和读小学的弟弟凪住在一起。因为阳菜丢了工作，帆高于是建议她用晴女的能力来赚钱，并在网络上架起委托网站。阳菜接二连三完成委托，对能让大家开心感到很满足，晴女的知名度也越来越高。在一次委托中，阳菜让即将施放烟火的天空放晴时被媒体拍到，因此有大量委托涌入，阳菜感到疲累，决定休息一阵子。与此同时，须贺和夏美也调查到有关晴女（天气巫女）的不祥传说。
帆高的家人向警方发出寻人请求，而警方也开始调查那天帆高开枪的事件。有警察找上了须贺的事务所，须贺因为正在争取女儿的扶养权，不想惹上麻烦，所以选择遣散帆高，要他回家去。另一方面，警方的儿童咨询人员也向阳菜和凪探问，并称未成年者不适合自己居住。怕被拆散的帆高、阳菜和凪三人开始逃跑。逃跑过程中异常天气开始显现——夏天居然下起了雪。三人好不容易才找到有爱情旅馆愿意让他们住，当晚三人一起度过了一段幸福的时光。
夜晚就寝时，阳菜的身体变得越来越透明，可能是晴女能力的代价，也可能和“天气巫女是维持天气稳定的活祭品”的古老传说有关。帆高做了阳菜离去的梦，天亮醒来时，阳菜已经不见了。警察没多久就进入旅馆房间搜查，将帆高押送到警局，并把凪带到儿福中心。过程中帆高发现东京久违的放晴是阳菜牺牲换来的结果，并得知阳菜的真实年龄其实比他小。帆高试着将有关晴女的事情告诉警察，但不被当一回事。随后帆高趁隙逃出警局，警察紧追在后。夏美骑车接应帆高，但因积水无法前进。电车因为异常天气而停驶，帆高于是跳上铁轨开始狂奔，前往阳菜获得能力、也是她首次放晴给帆高看的废弃大楼。
在废弃大楼，帆高遭到来找他的须贺阻止，于是捡起之前丢在这里的手枪，凭着决心对空开了一枪。警察随后包围帆高，并强硬地将他压制。须贺被帆高的态度打动，而和赶到的凪帮助帆高牵制警察，让他前往楼顶。帆高在楼顶祈祷后上到云层之上，在“让天气放晴”和“带回阳菜”之间选择了阳菜，将被困在天上的阳菜救了下来。事后帆高遭到逮捕，罪责酌情减轻，仅判他在高中毕业前都要接受监管。阳菜得救后，东京的雨就再也没停过，足足下了两年半，让东京某些地区变成一片汪洋。2024年，帆高搬到东京读大学，终于和阳菜重逢。
