Full Moon wo Sagashite anime ini mengisahkan tentang seorang anak perempuan berusia 12 tahun bernama Mitsuki Koyama. Dia yang sangat suka menyanyi, tapi terhalang oleh penyakit tumor tenggorokannya. Oleh dokter keluarganya, Keiichi Wakaouji menyarankan untukdioperasi. Tapi, Mitsuki menolaknya, dengan alasan bahwa apabila ia menjalani operasi, maka ia nggak akan bisa bernyanyi lagi.

Tapi, ada alasan lain mengapa ia menolak. Dulu, saat Mitsuki berada di panti asuhan (ayah dan ibu Mitsuki sudah meninggal), dia pernah berjanji dengan teman sekaligus satu-satunya orang yang ia sukai, Eichi Sakurai. Bahwa meskipun mereka terpisah jauh, mereka masih akan bisa bertemu yaitu dengan meraih impian masing-masing. Eichi jadi astronot dan Mitsuki jadi penyanyi. Kemudian Eichi pergi ke Amerika bersama dengan orangtua angkatnya. Meninggalkan Mitsuki yang menyesali dirinya, kenapa dia nggak ngasih tau Eichi kalo dia suka sama Eichi?