เรื่องราวเกิดระหว่างวันที่ 16 ธันวาคม ถึง 24 ธันวาคม ปีเดียวกัน ซึ่งเป็นเวลาหนึ่งเดือนหลังจากงานวัฒนธรรมตามตอนสุดท้ายของอนิเมะโทรทัศน์ เรียกเธอว่าพระเจ้า สึซึมิยะ ฮารุฮิ สิ้นสุดลง ในวันที่ 16 ธันวาคมนั้น หน่วย SOS (SOS Brigade) ของฮารุฮิ สึซึมิยะตกลงจะกินเลี้ยงหม้อไฟกันที่ห้องของหน่วยในวันที่ 24 ธันวาคม เนื่องในวันคริสตสมภพ แม้ว่าโรงเรียนห้ามก่อประกายไฟในอาคารก็ตาม

เช้าวันที่ 18 ธันวาคม เคียวน์มาถึงโรงเรียน และพบว่าทุกสิ่งเปลี่ยนไป เพราะฮารุฮิ, อิซึกิ โคอิซึมิ และเพื่อนบางห้องสาบสูญไปพร้อมกัน, ฝ่ายมิคุรุ อาซาฮินะ หญิงสาวนักเดินทางข้ามเวลาซึ่งเป็นรุ่นพี่มัธยมศึกษาปีที่ 5 และคนที่เขาหลงรัก กลับจำเขามิได้ และเดินทางข้ามเวลาไม่เป็นอีกต่อไป, ส่วนนางาโตะ ยูกิ แอนดรอยด์ที่มนุษย์ต่างดาวสร้างขึ้น กลับกลายเป็นมนุษย์จริง ๆ และมีอารมณ์ความรู้สึกดังมนุษย์ทั่วไปขึ้นมา, ขณะที่เรียวโกะ อาซากุระ แอนดรอยด์ที่เป็นเพื่อนร่วมห้องของเขาและถึงแก่ความตายไปแล้ว กลับฟื้นชีพและกลายเป็นมนุษย์ปรกติเช่นกัน, และชามิเซน แมวที่ฮาริฮุเคยบันดาลให้พูดจาได้อย่างมนุษย์ ก็กลับไปเป็นแมวธรรมดาดังเดิม นอกจากนี้ ยังปรากฏว่า นอกจากเขาแล้ว ไม่มีใครในโรงเรียนที่รู้จักฮารุฮิและหน่วย SOS เลย เคียวน์พบเค้าเงื่อนเดียว คือ ข้อความที่ยูกิเขียนลงบนที่คั่นหนังสือแล้วเสียบทิ้งไว้ก่อนเกิดความเปลี่ยนแปลงว่า ภายในกำหนดสองวัน ให้เขารวบรวม "กุญแจ" มาไขโปรแกรมโปรแกรมหนึ่งซึ่งยูกิสร้างทิ้งเอาไว้

ระหว่างครุ่นคิดถึงเงื่อนงำนั้น เคียวน์ได้ทำความรู้จักกับยูกิที่เป็นมนุษย์มากขึ้น และพบว่า บัดนี้ ยูกิชอบเขาเป็นอันมาก จนวันที่ 20 ธันวาคม เคียวน์ทราบจากทานิงุจิ เพื่อนร่วมห้อง ว่า เพื่อนที่หายตัวไปนั้น ที่จริงเป็นนักเรียนอยู่โรงเรียนมัธยมอื่นตลอดเวลา เคียวน์จึงตามไปและพบฮารุฮิกับอิซึกิ ทว่า ทั้งคู่จดจำเขามิได้ ที่สุด เคียวน์บอกเธอว่า เขาคือ "จอห์น สมิธ" (John Smith, ชื่อที่เขาคิดขึ้นมาเล่น ๆ แล้วบอกฮารุฮิ ครั้งที่เขาย้อนเวลาไปสู่ช่วงเทศกาลทะนะบะตะเมื่อสามปีก่อน เพื่อช่วยฮารุฮิในวัยมัธยมต้นเขียนพื้นสนามโรงเรียนเป็นข้อความถึงเจ้าหญิงทอผ้า) เนื่องจากเรื่องดังกล่าวเป็นความทรงจำเดียวที่ฮารุฮิมีอยู่เกี่ยวกับโลกเดิม เธอจึงเชื่อเขาและร่วมมือด้วย ฮารุฮิช่วยเขาตามหาและรวบรวมสมาชิกของหน่วย SOS ได้เป็นผลสำเร็จ สมาชิกทุกคนประชุม ณ ห้องของหน่วย ปรากฏว่า โปรแกรมข้างต้นมีอำนาจย้อนวันเวลา และกุญแจสำคัญสำหรับไขโปรแกรมก็คือ การที่พวกเขาทั้งหลายได้อยู่พร้อมหน้ากัน

เพื่อให้สรรพสิ่งกลับเป็นดังเดิม เคียวน์กดปุ่มให้โปรแกรมทำงาน โปรแกรมนั้นนำพาเขาย้อนกลับไปสู่เทศกาลทะนะบะตะเมื่อสามปีก่อนดังกล่าว ณ ที่นั้น เขาได้พบมิคุรุในวัยสาวที่เดินทางมาจากโลกอนาคตเพื่อรอคอยช่วยเหลือเขา ทั้งในการที่เขาจะได้ช่วยฮารุฮิวัยเด็กเขียนพื้นสนามโรงเรียน และที่เขาจะได้ฟื้นฟูโลก แต่ก่อนถึงเวลาสมควร มิคุรุกับเคียวน์ได้ใช้เวลาอยู่ร่วมกันในค่ำคืนนั้นให้มากที่สุด และมิคุรุซบบ่าเขาหลับไปใต้แสงดาว เมื่อตื่นขึ้นแล้วทั้งคู่ก็พากันไปหายูกิซึ่งในเวลานั้นอยู่ในวัยมัธยมต้นเช่นเดียวกับฮารุฮิ ยูกิมอบโปรแกรมล้างความเปลี่ยนแปลงให้แก่เคียวน์ โปรแกรมดังกล่าวบรรจุในปืนกระบอกหนึ่ง และจำต้องยิงใส่บุคคลผู้ยังให้เกิดความเปลี่ยนแปลงนั้น

ครั้นแล้ว เคียวน์และมิคุรุวัยสาวก็เดินทางกลับมายังวันที่ 18 ธันวาคม ของโลกปัจจุบัน เพื่อยิงปืนเช่นว่าใส่ตัวต้นเหตุ ซึ่งก็คือ ยูกินั้นเอง ยูกิอาศัยความสามารถพิเศษของฮารุฮิเปลี่ยนแปลงความทรงจำของคนทั้งปวง ด้วยหวังว่าจะทำให้ทุกคนเป็นสุขขึ้นเมื่อมีชีวิตอันราบเรียบราวกับไม่เคยมีปฏิสัมพันธ์กันมาก่อน แต่งดเว้นเคียวน์ไว้คนหนึ่ง เพื่อให้เขาเลือกระหว่าง โลกเดิมที่สับสนอลหม่าน กับโลกใหม่ที่เธอเปลี่ยนให้ เคียวน์ไต่สวนตนเองอยู่เป็นนาน ที่สุดก็เห็นว่า โลกเดิมซึ่งมีฮารุฮิที่ดื้อรั้นซุกซนไม่เกรงกลัวใครนั้นมีชีวิตชีวาและเป็นสุขยิ่งกว่า

แต่ก่อนที่เขาและมิคุรุจะได้ยิงปืนใส่ยูกิ เขาก็ถูกเรียวโกะโผเข้าแทงจนบาดเจ็บสาหัสด้วยสำคัญว่าเขาจะทำร้ายยูกิ อย่างไรก็ดี ตัวเขาเอง, มิคุรุวัยเด็ก และยูกิเดินทางจากอนาคตกลับมา ณ เวลานั้นเพื่อจัดการเรื่องราวต่อได้อย่างทันท่วงที โดยยูกิจากอนาคตประมือด้วยเรียวโกะ รักษาเคียวน์ที่นอนเจ็บอยู่บนพื้น แล้วคว้าปืนไปยิงยูกิแทนเคียวน์ ส่วนมิคุรุวัยสาวนั้นสะกดให้มิคุรุวัยเด็กหมดสติไปเพื่อป้องกันมิให้เธอทราบเรื่องเกี่ยวกับตนเองในวัยสาวอันจะยังให้ประวัติศาสตร์เสียสมดุลและเพื่อรักษาความลับราชการตามหน้าที่[6]

เมื่อเคียวน์ตื่นขึ้น เขาพบว่าโลกกลับเป็นปรกติแล้ว โดยที่คนอื่น ๆ จะได้มีความทรงจำเกี่ยวกับความเปลี่ยนแปลงของโลกแม้สักน้อยก็หาไม่ อิซึกิซึ่งนั่งปอกผลไม้อยู่ข้างเตียงแจ้งแก่เคียวน์ว่า ในวันที่ 18 ธันวาคม ระหว่างที่สมาชิกหน่วย SOS พากันไปซื้อข้าวของ เพื่อเตรียมเลี้ยงหม้อไฟในวันที่ 24 ธันวาคม และจัดงานเลี้ยงให้เด็ก ๆ ในวันที่ 25 ธันวาคมนั้น เคียวน์ตกบันไดหัวฟาดพื้นสลบไสลไปสามวัน เคียวน์ยังพบด้วยว่า ฮารุฮินอนเฝ้าเขาอยู่ข้างเตียงไม่ห่างตลอดสามวันนั้น ไม่กี่วันต่อมา เคียวน์ก็ออกจากโรงพยาบาล และมีชีวิตประจำวันดังเดิม

วันที่ 24 ธันวาคม เมื่อเลิกเรียน เคียวน์มุ่งหน้าไปยังห้องของหน่วย SOS เขาหยุดอยู่เบื้องหน้าประตูเมื่อได้กลิ่นหอมโชยมาจากข้างใน ซึ่งหมายความว่า ฮารุฮิและคนอื่น ๆ ตั้งหม้อไฟกันแล้ว เขาเดินเข้าไปพร้อมรอยยิ้มเปี่ยมสุขบนใบหน้า