Asumi Kamogawa, quatorze ans, est une petite fille fascinée par les étoiles et l'espace. Depuis son plus jeune âge, elle apprend les mystères du cosmos auprès d'un gentil fantôme nommé « Lion-san », qui porte une énorme tête de lion et lui prodigue des conseils. Malgré quelques difficultés à la maison, Asumi décide de s'inscrire à la Tokyo Space School.
Là, elle se lie rapidement d'amitié avec plusieurs camarades de classe : son ami d'enfance Shinnosuke Fuchuuya, qui porte des lunettes et a un caractère franc et honnête ; Kei Oumi, une fille au cœur chaleureux, émue par les images des premiers pas de Neil Armstrong sur la Lune ; Marika Ukita, une fille réservée mais belle, qui cache ses propres secrets ; et Shuu Suzuki, un jeune homme audacieux et intelligent, à l'attitude détendue face à la vie.
Se déroulant dans une ligne temporelle alternative où la première fusée habitée du Japon s'est écrasée en 2010, Futatsu no Spica suit le parcours initiatique de ces lycéens alors qu'ils tendent vers les étoiles.