高校生の村上良太は、10年前に死んだクロネコという女の子の死を自分の責任だと深く感じ、自分なりの罪滅ぼしとして彼女の代わりに宇宙人の存在を証明すべく、NASAの研究員になるために天文部で1人活動をしていた。そんなある日、クロネコにとても似ている少女・黒羽寧子がクラスに転入してくる。彼女は村上を知らないというが…。
村上は学校を欠席した寧子に転入届と夏合宿のしおりを渡しに、自宅があるという住所に向かう。廃村でひっそりと暮らしていた寧子を見つけ話をしていると、遠くから助けを求める人の声がする。しかし人の声ではないと主張する寧子に半ば強制的に帰らされる。が、どうしても気になる村上は密かに戻り声の主を探す。そこで村上が見たものは…。
体中包帯まみれという異様な姿で登校してきた寧子。頑なに理由を言わず、翌日にまた学校を休んだことを心配した村上は彼女の家へ駆けつけ、全身血まみれで倒れている姿を発見する。目を覚ました寧子の指示通り「鎮死剤」という薬を飲ませなんとか一命を取り留めるが、薬の数はあと10個、佳奈と2人で5日分しか残っていないのだった…。
時折エキセントリックな行動を起こすが、物を知らないだけで決して頭が悪いわけではない寧子は学校生活を上手くこなしていた。そして天文台で生活していても不審に思われないように天文部に入部することになる。天文台ではカズミが様子を見に訪れており、雨に濡れた村上は近くにある町の温泉に入ることになるのだが…。
1年に転入してきた鷹鳥小鳥という少女が天文部に入部希望でやってきた。彼女の親睦もかねて全員で天体観測会を企画する村上。翌日の夜、山の高台で望遠鏡を覗き込み熱心に星を観察する小鳥のうなじに村上がハーネストを発見をすると同時に、佳奈は小鳥が寧子を殺す予知を見る!!
薬が切れかけていた小鳥が姿を消す。どこかで1人死ぬつもりだと推測した村上は焦り探し始める。血だらけで床に座り込んでいる彼女をなんとか見つけるが、薬を飲むことを頑なに拒否をする。そして小鳥は語り出す、自分の誕生日を祝うために命を捨てた友達・千絵の話を…。
1ヵ月分の鎮死剤しか無い村上は一縷の望みにかけて化学者の叔父・小五郎の元を訪れた。鎮死剤のコピーを依頼するが通常半年から数年かかるという。ただし有効成分が結晶性化合物であった場合1ヶ月で合成可能とのこと。宇宙人の受精卵が入っているという容器の中身の解析を合わせて依頼し、村上は1日でわかるというコピー可否の結果を待つ…。
寧子から渡された端末にドイツ語で書かれたメッセージとどこかを指し示す地図、そしてパスワードを入力するフォームが表示された。村上とカズミは地形を手がかりに場所を特定しようとする。そして危険だからと寧子たちを天文台に待機させて、村上は1人で地図の場所に向かうのだが…！？
村上たちの居場所を探すために新たな魔女・奈波が投入された。奈波は記憶をスキャンする能力を使い、多くの人々の記憶を覗き見て手がかりを探す。しかし手がかりが見つかると、一緒に行動していた黒服の監視を逃れ、1日だけ単独で自由行動をしようとする。そして公園で村上と対峙することになるのだが…！？
期末テストが迫っていたが、カズミは残り短い命なのだから勉強する意味がないとやる気がない。そんな彼女たちに学業の大切さを説く村上に対して、小鳥はテストで頑張ったら何かご褒美があるならやる気が出ると提案する。そこで村上はテストで平均点以上をとれれば海に連れていく約束をするのだが…。
Sランクの魔女・ヴァルキュリアが1107番の回収に動き出した。しかし監視で付けられた魔法使いたちをすべて殺し、それを聞きつけて駆けつけた機動隊もろとも山を吹き飛ばし、勝手に行動し始める。一方、寧子たちの居場所を知った新たな魔法使い初菜が天文台にやって来る。
ついに九とヴァルキュリアが天文台に現れた。奇策を使いヴァルキュリアをハングアップさせようとする村上と初菜。そこに寧子も参戦するが力を使いすぎて逆にハングアップしてしまう。絶望的な状況の中、九の指示でヴァルキュリアは寧子にトドメの一撃を放つのだが…！？
地球の生命を絶滅させる信号、アイン・ソフ・オウルが発動し世界を覆い始める。戦いを諦め神とすべての生命に祈りを捧げるヘクセンヤクトを横に、村上たちは小鳥を救うため九の隠れ家へと走り出す！ 牙をむくヴァルキュリアに立ち向かう寧子。戦いの行方は…！？
