เรื่องราวเกิดในประเทศญี่ปุ่น ต้นพุทธทศวรรษที่ 2530 เรื่อยมาจนถึงปัจจุบัน (ต้นพุทธทศวรรษที่ 2550) โดยหัวใจของเรื่องนั้นอยู่ที่เด็กหนุ่มชื่อ ทะกะกิ โทโนะ ทั้งนี้ พึงทราบด้วยว่า เรื่องราวในบทแรกเกิดขึ้นแต่ครั้งที่โทรศัพท์มือถือและไปรษณีย์อิเล็กทรอนิกส์ยังไม่แพร่หลาย

บทที่หนึ่ง: เสี้ยวดอกซากุระ

ที่โรงเรียนประถมศึกษาแห่งหนึ่งในกรุงโตเกียว ทะกะกิ โทะโนะ กลายเป็นเพื่อนของ อะกะริ ชิโนะฮะระ ไม่ช้าหลังเธอย้ายมาที่นี่ เด็กทั้งสองเติบโตด้วยกันอย่างใกล้ชิดสนิทสนม เพราะสนใจและมีทัศนคติและบุคลิกลักษณะเหมือนกัน เป็นต้นว่า มักขลุกอยู่ในห้องสมุดด้วยกันมากกว่าออกไปเล่นกลางแจ้ง เพราะแพ้อากาศเหมือนกัน กับทั้งมีทะกะกิคนเดียวที่คอยปกป้องอะกะริในยามที่เธอถูกเพื่อนแกล้ง ดังนั้น ความผูกพันอันแน่นแฟ้นระหว่างคนทั้งคู่จึงทวีเรื่อยมา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทั้งสองเรียกขานกันด้วยชื่อตัวเปล่า ๆ ขณะที่คนทั่วไป แม้รักกันดูดดื่มเพียงไร จะถือธรรมเนียมเรียกกันโดยมีคำว่า "คุณ" (様) ด้วย ข้อเท็จจริงนี้ไม่ปรากฏในพากย์ภาษาต่างประเทศ ครั้งนั้น ทะกะกิและอะกะริสัญญากันว่า จะอยู่ชมดูซากุระด้วยกันตลอดไป โดยอะกะริบอกเขาว่า "ซากุระกลีบหนึ่ง ๆ ร่วงหล่นด้วยความเร็วห้าเซนติเมตรต่อวินาที"

เมื่อจบมัธยมศึกษาตอนต้น อะกะริย้ายไปเรียนต่อที่อำเภออิวะฟุเนะ จังหวัดโทะชิงิ ตามบิดามารดาที่ย้ายไปทำงานที่นั้น แต่เธอและเขายังติดต่อกันเรื่อยมาด้วยจดหมาย ครั้นทะกะกิทราบว่า ตนจำต้องย้ายรกรากไปจังหวัดคะโงะชิมะ เขาก็ตัดสินใจเดินทางไปพบอะกะริด้วยตนเอง เพราะจากนี้ไปอาจอยู่ห่างไกลกันอย่างยิ่งถึงขนาดที่ไปมาหาสู่กันลำบาก เขาเขียนจดหมายฉบับหนึ่งว่าด้วยความในใจของเขาเตรียมไว้ให้อะกะริ แต่มันปลิวหายไประหว่างนั่งรถไฟชิงกันเซ็งไปหาเธอ นอกจากนี้ พายุหิมะที่ลงหนักยังทำให้ขบวนรถไฟล่าช้าหลายชั่วโมง

เมื่อพบกันแล้ว ทะกะกิและอะกะริโผเข้ากอดกันด้วยความคิดถึง และจุมพิตกันเป็นครั้งแรกใต้ต้นซากุระที่ร่วงโรยเหลือเพียงกิ่ง แล้วพากันไปหลบหิมะในเพิงข้างเคียง ทั้งคู่พูดคุยกันทั้งคืน แล้วผล็อยหลับไปในผ้าห่มผืนเดียวกัน รุ่งเช้าจึงจากกัน และสัญญากันว่าจะเขียนจดหมายหากันอีกเรื่อยไป เมื่อรถไฟเคลื่อน ใจของทะกะกิร้าวรานเพราะจดหมายลับสูญไปข้างต้น ส่วนอะกะริเองก้มมองจดหมายที่ตนเตรียมไว้ให้ทะกะกิเช่นกัน แต่ไม่ได้ให้

บทที่สอง: นักบินอวกาศ

บัดนี้ ทะกะกิเป็นนักเรียนมัธยมศึกษาปีที่ 6 ที่เกาะทะเนะงะชิมะ ในจังหวัดคะโงะชิมะ ซึ่งเป็นที่ตั้งของศูนย์อวกาศทะเนะงะชิมะด้วย ณ ที่นั้น เด็กสาวคนหนึ่งชื่อ คะนะเอะ ซุมิดะ เพื่อนร่วมชั้นของทะกะกิ หลงรักเขาตั้งแต่แรกพบ แต่ไม่กล้าสารภาพความรู้สึกของตนให้เขาทราบ จึงพยายามใช้เวลาอยู่ร่วมกันเขาให้มากที่สุด อาทิ ดักรอเขาเมื่อโรงเรียนเลิกเพื่อจะได้กลับบ้านด้วยกัน กระนั้น ดูประหนึ่งว่า ทะกะกิไม่ใส่ใจความรู้สึกของเธอ และปฏิบัติต่อเธอฉันเพื่อนที่ดีเท่านั้น

คะนะเอะสังเกตเห็นว่า ทะกะกิมักเขียนไปรษณีย์อิเล็กทรอนิกส์หาใครบางคนเสมอ หรือไม่ก็มักเหม่อลอยไปในเวิ้งฟ้าราวค้นหาใครบางคนซึ่งอยู่ไกลออกไป ต่อมาในเรื่องปรากฏว่า ไปรษณีย์อิเล็กทรอนิกส์นั้นเขาเขียนหาอะกะริ แต่ไม่ได้ส่ง เพียงแต่บันทึกเก็บไว้กับตนเท่านั้น ทั้งเขายังเฝ้าฝันหาอะกะริไม่รู้หน่ายด้วย แม้อะกะริมิได้เขียนจดหมายหาเขานานแล้ว ในที่สุด แม้คะนะเอะรักเขามากเพียงไร แต่เธอก็ปลงใจได้ว่า เขากำลังมองหาบางสิ่งบางอย่างซึ่งเหลือวิสัยที่เธอจะเป็นหรือจะให้เขาได้ และเลิกล้มความตั้งใจจะสารภาพรักต่อเขา

บทที่สาม: ห้าเซนติเมตรต่อวินาที

ในปี 2551 ทะกะกิเจริญวัยขึ้นเป็นหนุ่ม และเป็นนักเขียนโปรแกรมอยู่ในกรุงโตเกียว ณ ที่ทำงานของทะกะกิ มีหญิงสาวคนหนึ่งหลงรักเขา แต่ก็ตัดใจเมื่อพบว่า แม้วันเวลาผ่านพ้นมานานเพียงไร ทะกะกิยังใฝ่ฝันถึงอะกะริไม่เสื่อมคลาย ทะกะกิคิดจมอยู่กับความคิดถึงอะกะริจนไม่เป็นอันกินอันนอนเรื่อยมา ที่สุดก็ลาออกจากงานประจำ และเดินย่ำไปบนถนนหนทางพร้อมหัวใจที่ซังกะตาย เวลานั้นเอง อะกะริเตรียมวิวาห์กับชายอื่น เธอค้นทรัพย์สมบัติเก่า ๆ และพบจดหมายที่เธอไม่ได้ให้ทะกะกิ (ในบทแรก) ทะกะกิและอะกะริหวนรำพันถึงวัยเด็กที่สัญญากันว่าจะอยู่ชมดูซากุระด้วยกันตลอดไป และนึกถึงการพบกันครั้งสุดท้ายท่ามกลางหิมะ โดยทะกะกิยังรอทำตามสัญญานั้นเสมอ ส่วนอะกะริเห็นว่า เป็นคำมั่นสัญญาของเด็ก ๆ

ต่อมา ทะกะกิและอะกะริสวนกันที่ตลิ่งทางรถไฟในกรุงโตเกียว และเฉลียวใจขึ้น ทั้งคู่หยุดอยู่ตรงข้ามกันโดยมีรถไฟเคลื่อนคั่น และเริ่มมองหันกลับมา แต่รถไฟบังสายตาทั้งสอง ทะกะกิรอจนรถไฟพ้นไป แต่พบว่าหญิงสาวคนเมื่อครู่เดินจากไปแล้ว เขาจึงยิ้มกับตนเอง แล้วออกเดินต่อไป