春。高校に入学した木ノ幡みらは、絶対入ろうと決めていた天文部がなくなっていて大ショック。みらには、幼い頃にある人物と約束した「小惑星を発見する」という夢があったのだ。今年から「天文部」と「地質研」が合併した「地学部」が出来たと聞いてさっそく入部する。部室でみらを待っていたのは個性的な3人の先輩と、そしてもう1人……。

今日は河原で新入部員歓迎会のバーベキュー！ 石ころハンティングや星空観察会と盛りだくさんの一日を楽しんだ後は、会報「KiRA KiRA」作り。それぞれがテーマを決める中、なかなか記事が書けないみら。なんとかまとめたものの、姉のみさには「みららしさが感じられない」と言われてしまう。 そんな時、あおから記事の挿絵を頼まれたみらは…。

追試になったみらとあおは、みらの家ですず、そしてみらの姉のみさも交えて勉強会。なんとか追試をパスした二人は、すずのパン屋さんで初めてのアルバイトを経験する。初バイト料を手に「駅前デート」に出かけた二人は、並んで歩くイノ先輩とすずを見かける。意外な組み合わせに驚き、二人の後をこっそり追いかけるが…。

夏合宿！ 行き先は地質標本館にJAXAなどなど。鉱物や化石を見て、珍しくはしゃぐ桜と、そんな桜に興奮するイノ。一方、モンロー、みら、あおは人工衛星やロケットに盛り上がる。みらとあおは小惑星発見の情報を得ようとあちこち聞いて回るが、手がかりは得られない。宿泊先の遠藤先生の祖父母の家でバーベキューや天体観測を楽しんだ後、遠藤先生が取り出したのは…。

すずの提案で海に遊びにやって来たみら、あお、イノ。みらの親友の座を賭けて、すずとあおが勝負！その結果は…。。また別の日、みらは桜と2人で「ミネラルショー」に出かける。桜は様々な石を前に大興奮だったが、「受験勉強に身が入らない」とこぼす。将来への具体的な目標がないことに悩んでいたのだ。夏休みが明け、文化祭の準備が始まって…。

文化祭の準備を進める地学部員たち。地質班の桜とイノは校庭で本格的なボーリング調査。 一方、天文班のみら、あお、モンローはみらの家で太陽系惑星の模型作りに励む。そしていよいよ始まった文化祭。 すずも協力してくれた地学部のジオカフェがオープンする。お揃いのメイド服に着替えた地学部員たちは……。

モンローと桜が引退し、みら、あお、イノの新生地学部がスタート。イノに部長としての自信を持ってもらうために、子供会の天体観望会の講師を引き受ける。 一筋縄ではいかない子供たちに興味を持ってもらおうと奮闘するみらたち。 そして、オリオン座流星群を観測した翌朝、あおは学校を欠席する。心配したみらとイノはお見舞いに出かけるが……。

「地学オリンピック」の予選に挑戦するイノ。部長として独り立ちするための第一歩だ。 そして二学期も終わりが近づき、地学部でクリスマス忘年会が開かれる。鍋で温まった後は恒例の星空観測。 わいわい言いながら冬のダイヤモンドを見上げていると、突然あおの瞳から涙がこぼれる。 大丈夫と言うあおだったが…。

あおが転校せず、みらの家に同居できるようそれぞれの家族を説得するみらとあお。 バレンタインを控え、桜はすずに教えてもらいながら作った、初めての手作りチョコを地学部のみんなに渡す。 そしてみさが遠くの大学に行くことを知ったすずは……。

地学部に七海と、桜の妹の千景という2人の新入生が入部してきた。 桜と同じく地質班希望の千景。 一方、「気象」を学びたいという七海は地学部の活動に物足りなさを感じている様子。 新入生にも色々な楽しい体験をしてほしいと考えたみらは、昨年を思い出し新歓バーベキューをしようと提案して…。

あおも見学者として参加が許され、いよいよきら星チャレンジがスタート！ 天文台の見学などのプログラムが進み、そして夜。同じグループになった友利と蒔田とともに、ついに天文台で小惑星の探索が始まる。ところが、空に雲が広がってきて…。

きら星チャレンジ2日目。空には雲もなく観測日和だ。 撮影したデータのチェックを進めると、未知の小惑星らしき天体が見つかる。 高まる緊張。これが本当にラストチャンスと再度の撮影が行われる。みらとあおが、同じ班の友利と蒔田とともに画像をチェックすると…。