峰ヶ原高校の2年生・梓川咲太は、ある日、図書館でバニーガールと出会う。その正体は、咲太と同じ高校の3年生で活動休止中の国民的女優、桜島麻衣だった。周囲からひと際目立つ麻衣だが、何故か彼女の姿は周囲の人間には見えていなかった。麻衣から金輪際、私に関わるなと言われるも気になった咲太は翌日、駅のホームで見かけた彼女に話しかける。そして咲太は、麻衣の身に起こっている不思議な現象について聞かされる。

麻衣の思春期症候群の原因を探るなかで、咲太は麻衣とデートをすることに。約束の日、藤沢駅に向かう道中で迷子の女の子を助けようとした咲太は、一人の少女に変質者だと勘違いされ、それが原因で麻衣との待ち合わせに遅刻してしまう。なんとか麻衣の許しを得て、デートをすることになるが、麻衣は行き先を変更して咲太を七里ヶ浜に連れていく。

藤沢を離れ、大垣まで行っても桜島麻衣のことを覚えている人は一人もいなかった。咲太は麻衣と共に学校に戻るが、そこでも友人の双葉理央から学校内で自分以外に麻衣のことを覚えている人間はいないということを聞かされる。 麻衣を忘れていくのは、ある行為に起因するものだという仮説を聞いた咲太は、麻衣の記憶を失わないように奮闘する。そして、そんな咲太の姿を見て、麻衣も一つの決断を下す。

麻衣の思春期症候群が解決したのも束の間、咲太はまたしても新たな不思議現象に遭遇する。同じ日が何度も繰り返され、明日がやってこないのだ。この現象について理央に相談したところ、同じ日を繰り返し、やり直しをしている人物――“ラプラスの悪魔”の存在が原因になっているのではないかという仮説を聞かされる。

朋絵と恋人のふりをするという約束の1学期も最終日となった。七里ヶ浜での最後のデートを終え、「麻衣に未練がある咲太に愛想を尽かせて朋絵が振った」という設定で別れたことにしようと決めた咲太と朋絵。すべてがようやく解決したかのように思われたのだが。

長かった6月、7月が終わり、ようやく麻衣とお付き合いできることになった咲太だったが、仕事で忙しい麻衣とは会えない日々が続いていた。鬱憤をためながらバイトをしていたところ、そこに仕事終わりの麻衣がやってくる。麻衣からの提案でしばらく会えなかったお詫びをもらえることになった咲太は、上機嫌でバイトを終わらせる。その帰り道、咲太と麻衣は夜の繁華街でネットカフェに入っていく理央の姿を目撃し、不審に思った咲太があとを付けたところ、驚きの事実を理央から告げられる。

自分が二人存在するという思春期症候群を引き起こし、咲太の家にしばらく泊まることになった理央。一方で“もう一人の理央”はSNSに思いがけない写真を投稿していた。そのことを同級生の上里沙希から教えられた咲太は、改めて理央と話をすることに。その行動の理由、そして思春期症候群の解決方法を探るため二人の理央から話を聞いていく中で、咲太はそれぞれが抱える悩みを知ることになる。

事務所からのデート禁止令によって、芸能活動で忙しい麻衣と会えない日々が続いた咲太。ようやく2学期がはじまり、学校で麻衣に会えるようになることを心待ちにしていたが、家の前で出会った麻衣からは「あんた誰？」という衝撃の一言が。事情を確認すると麻衣とその妹・豊浜のどかの身体が入れ替わってしまっていたことが発覚する。思春期症候群が解決するまでの間、麻衣はのどかとして、のどかは麻衣として日々を過ごすことになる。

女優・桜島麻衣としてCM撮影を上手くこなすことができず、次第に劣等感を強めてしまったのどか。その後も二人の身体が入れ替わった生活が続く中で、麻衣はのどかの所属するアイドルグループ“スイートバレット”の単独ライブを迎えることになる。チケットを渡された咲太とのどかは、ライブを見に行く。

のどかの思春期症候群が解決し、やっと麻衣と恋人らしい毎日が過ごせると期待を膨らませていた咲太だったが、そんな矢先に桜島麻衣に彼氏がいるというスキャンダルが報道されてしまう。出演する映画の記者会見で、誠意ある説明をする麻衣の姿を見たかえでは、自分も咲太のために頑張りたいと、今年の目標を立てる。その目標の中には学校に行くという内容も記載されていた。

七里ヶ浜で遭遇した幼なじみの鹿野琴美を覚えていないと言ったかえで。その再会をきっかけに咲太は麻衣とのどかに、かえでが記憶を無くしてしまっているという事実と、2年前に起こった出来事を打ち明ける。琴美と会った次の日からもかえでは、学校に行くための練習を続けようとする。

咲太の手助けで夜の学校に行くことができ、次は昼の学校にいくと意気込んでいたかえで。しかし、その翌日、突如“花楓”の記憶が戻り、2年間一緒に過ごしてきた“かえで”の記憶が消えてしまった。かえでがいなくなってしまったことに打ちひしがれる咲太の前に、ある人物が現れる。