Dois anos antes, o amigo de infância de Mitsuki Kouyama, Eichi Sakurai, mudou-se para a América antes que ela pudesse confessar seus sentimentos por ele. Embora ela não possa contatá-lo, eles fizeram uma promessa de perseguir seus sonhos: Mitsuki pretende se tornar uma cantora profissional, enquanto Eichi quer ser astrônomo. Ela espera que um dia sua música o alcance ao redor do mundo, brilhando tão radiante quanto a lua cheia.
No entanto, há uma complicação: Mitsuki tem câncer de garganta, o que deixa sua voz fraca e dificulta cantar. Sua avó despreza música e insiste que Mitsuki faça uma cirurgia para remover o câncer, mas Mitsuki recusa porque isso arrisca perder completamente a voz. Um dia, dois shinigami — Meroko Yui e Takuto Kira — aparecem e informam que ela tem apenas um ano de vida. Essa notícia chocante leva Mitsuki à ação, e ela decide que, com a ajuda de Meroko e Takuto, se tornará uma cantora profissional no tempo que lhe resta.
Full Moon wo Sagashite acompanha a jornada emocional de Mitsuki e seus companheiros shinigami enquanto eles aprendem o que realmente significa cantar — e, por fim, o que significa viver.