Asumi Kamogawa, uma garota de quatorze anos, é uma menina pequena que tem uma profunda fascinação pelas estrelas e pelo espaço sideral. Desde muito jovem, ela aprende sobre o cosmos com um fantasma gentil chamado "Lion-san", que usa uma enorme cabeça de leão e lhe oferece sabedoria. Apesar de algumas dificuldades em casa, Asumi decide se matricular na Tokyo Space School.
Lá, ela rapidamente faz amizade com vários colegas de classe: seu amigo de infância Shinnosuke Fuchuuya, que usa óculos e tem uma natureza direta e honesta; Kei Oumi, uma garota de coração caloroso que ficou emocionada com as imagens dos primeiros passos de Neil Armstrong na lua; Marika Ukita, uma garota reservada, mas bonita, carregando seus próprios segredos; e Shuu Suzuki, um jovem ousado e inteligente com uma atitude relaxada em relação à vida.
Ambientado em uma linha do tempo alternativa onde o primeiro foguete tripulado do Japão caiu em 2010, Futatsu no Spica acompanha a jornada de amadurecimento desses estudantes do ensino médio enquanto eles se esforçam para alcançar as estrelas.