Dos años atrás, el amigo de la infancia de Mitsuki Kouyama, Eichi Sakurai, se mudó a Estados Unidos antes de que ella pudiera confesarle sus sentimientos. Aunque no puede contactarlo, hicieron una promesa de perseguir sus sueños: Mitsuki aspira a convertirse en cantante profesional, mientras que Eichi quiere ser astrónomo. Ella espera que algún día su música lo alcance a través del mundo, brillando tan intensamente como la luna llena.
Sin embargo, hay una complicación: Mitsuki tiene cáncer de garganta, lo que deja su voz débil y dificulta el canto. Su abuela detesta la música e insiste en que Mitsuki se someta a una cirugía para extirpar el cáncer, pero Mitsuki se niega porque corre el riesgo de perder la voz por completo. Un día, dos shinigamis—Meroko Yui y Takuto Kira—aparecen y le informan que solo le queda un año de vida. Esta impactante noticia impulsa a Mitsuki a la acción, y decide que, con la ayuda de Meroko y Takuto, se convertirá en cantante profesional en el tiempo que le queda.
Full Moon wo Sagashite sigue el emotivo viaje de Mitsuki y sus compañeros shinigamis mientras aprenden lo que realmente significa cantar—y, en última instancia, lo que significa vivir.