《恋空》讲述了乖巧漂亮的高一女生美嘉（新垣結衣 饰）与樱井弘树（三浦春马 饰）相识相爱的故事。美嘉不慎遗失手机，弘捡到后将它放回图书馆，却删去了手机里原有的所有联系人，随后在整个暑假里日夜打电话给美嘉，陪她随意聊天。尽管两人始终未曾见面，美嘉还是在这段特别的陪伴中逐渐敞开心扉。
开学后，美嘉终于与弘正式相见，两人很快陷入热恋，并一起经历了人生中的第一次亲密关系。然而，弘的前女友笑子出于报复制造事端，让美嘉遭受巨大打击。关键时刻，弘坚定地守护着她，帮助她走出阴影。没过多久，美嘉发现自己怀孕了，弘恳求她生下孩子，两人也共同面对双方家长，弘的真诚与坚持最终获得了家人的理解。遗憾的是，悲剧再度降临，美嘉失去了孩子。
升入高二后，弘突然提出分手，却始终没有告诉美嘉真正的原因。美嘉在痛苦中苦等了很久，才逐渐尝试重新开始生活，并与就读庆大的温柔男生优交往。升入大学后，她的生活似乎终于恢复平静。圣诞节时，优向美嘉求婚，可就在这时，美嘉得知了弘一直深藏不露的痛苦秘密。命运再次打破平静，而她也终于明白，自己最深爱的人，始终还是弘。
剧情片