普通女高中生未步梦想着将来能成为科幻小说作家。她和母亲妙子两个人一起生活，母亲将自己的再婚对象盐见介绍给未步，未步很不开心跑了出来。一场地震突然来临，猝不及防的未步没抓牢手机，手机掉落消失在一团光芒中。

舞台转到1912年，青年宫田时次郎师从夏目漱石，他立志要当小说家，却屡遭退稿。这天，他正要离开出版社，地震袭来，一个奇怪的小盒子式的物件从天而降。时次郎犹豫了一下，把它捡回了家。

为了找回手机，未步试着拨打自己的号码。试了一次又一次，总算拨通了。听筒里传来一个陌生男子的声音。

“这是我得手机啊！”未步叫道。“手机？！”对方一头雾水。未步了解到，时次郎是明治时代的人，只有在看得见月亮的时候才能接通手机。这只手机将跨越百年的两个人联系了起来。追逐文学梦的时次郎、为母亲再婚而烦恼的美步，两人聊自己、家人、未来，两颗心灵飞速接近。

然而，离别的脚步走近了，手机的电池即将耗尽。两人决定来一场超越时空的约会，想将这份感情铭刻在心中……

影片展现了现代和明治时期两个不同风貌的东京。明治部分的戏是在爱知县明治村拍摄的。明治村内集中了从日本全国各地移建而来的著名老式建筑，非常壮观。

编剧林诚人在明治文学方面很有造诣，他是夏目漱石的粉丝，因此特地在片中加入了这位文学家的戏份。

电影几乎完全没有交代女主人公未步的学校生活。小中导演认为将背景简洁化、去除不相关的方面，有利于突出爱情故事。在早先的剧本中，有未步的同学兼好友登场，但剧本的最终稿删除了这个角色。不过，《东京少女》的小说版由于是参考早期剧本写的，因此仍有未步的好友登场。