シュウジとちせは、北海道に住む高校3年生。ちせは、憧れていた陸上部のシュウジにやっとの思いで告白、付き合うことになる。そんなある日、国籍不明の敵に札幌が空襲され、必死に逃げるシュウジの上空で、爆弾の雨を降らす。そこへ敵を撃墜していく謎の物体が現れ、妙な胸騒ぎを覚えたシュウジは信じがたい事実を知る。

札幌空襲から一週間。普段の生活に戻り、シュウジはちせから最終兵器に改造された事実を告げられる。シュウジは現実として受け入れられず、再び出動するちせを見送ることしかできなかった。その夜、交換日記を読んだシュウジはちせを探しに家から飛び出していく。｢私、成長してる…｣日記にはちせの思いが綴られていた。

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軍の監視から逃れ、展望台で語り合う。シュウジとちせ、二人は誰も知らない場所で暮らす計画を立てる。しかし、旅立つ準備をするちせの前にカワハラら軍の人間が立ちはだかる。シュウジは一人、駅の待合室でちせを待ち続けるのだが…。そして、ある女性と再会する。｢ふゆみ先輩…｣シュウジの心にほろ苦い記憶が甦った。

｢兵器｣として次々と街を吹き飛ばしたちせは自分自身を疎ましく思うようになっていた。そんな折、大地震が起き、自分を制御しきれないちせは地震に反応、攻撃を始めようとしてしまう。それを見たシュウジは初めてちせに恐怖する。ちせを軍に戻したシュウジは心配するアケミやアツシたちに何も説明が出来なかった。

展望台で再開したシュウジとちせ。シュウジは覚悟を決め、ふゆみ先輩との関係を話し始めるのだが、ちせは聞く耳を持たなかった。話続けるシュウジに｢クラスメイトに戻ろう｣と告げるちせ。それから二人はぎこちなくなっていた。そして、戦場で束の間の休息を取ったちせはシュウジとの時間を思い出し、涙する。

敵の再来による危機を救ったちせ。シュウジは｢兵器｣としてのちせ、戦争という現実。それらをうまく理解できない自分に腹を立てる。そんな折、シュウジは公園で一人たたずむちせを見つけ、水族館へ行こうと約束するのだが…。一方、軍に入隊したアツシは兵士たちが口にする｢ちせ｣という単語の意味がわからずにいた。

膠着状態が続く戦場で、ちせは再びテツと出会う。テツの隠れ家で安息を得るちせ。街では生き残りの白人兵狩りが行われ、タケを失い、すっかり変わってしまったゆかりは白人兵狩りに参加。ゆかりは密かにタケの仇を討とうとしていた。その最中シュウジは戦場にいたアツシについてアケミと語り合うのだが…大地震が起きる。

テツとの逃避行で2日ぶりに隊に戻ったちせは、メンテナンスを怠ったせいで倒れてしまう。再び目覚めることはないと判断する医師たち。街は大地震により崩壊していた。シュウジの前に、アケミの妹・さとみが現れ、シュウジを呼んでいると告げる。アケミは瀕死の重傷を負い、このとき初めて自分の思いを告白するのだった。

ちせは、戦いを終わらせるため、また一つ街を消し去った。光に包まれる兵士の中にアツシの姿も…。シュウジの学校は軍に接収されることになり、さよならパーティを催す。パーティの最中、カワハラが現れ、あるものをシュウジに託す。そして、ふゆみ先輩との別れ…。すべてが終わった翌朝、シュウジの前にちせの姿が…。

見渡す限り冬の大地。ちせとシュウジは海の見える街に辿り着き、ひっそりと暮らし始める。すべてを投げ打った二人は半壊したアパートで幸せな時を過ごしていた。だが、メンテナンスを受けられないちせの身体は蝕まれていく。そんな時、カワハラがちせとシュウジの前に現れて…。シュウジはカワハラを前に重大な決断をする。

瓦礫と化した海辺の町。アパートでは動けなくなったちせをシュウジが看病していた。最後の薬を飲み干した夜、ちせの身体は急激に変化し、機械に浸食されていく。最期を感じたシュウジは、命を助けるため、彼女を軍に引き渡す。｢ぼくは罪を犯した｣。一人部屋に残ったシュウジはちせの願いが綴られた日記を見つける。

展望台。それはシュウジとちせの約束の地であった。何度も激しく求めあった一夜が明け、シュウジとちせは語りあう。死に行く者を讃えるように星の歴史を一つ一つ暗証し、この星の終わりをシュウジに告げる。戦闘機の大群が現れると、ちせはこの街を最期まで守るとシュウジに約束し、飛び立った。