雨の日、主人公の「僕」は学校の屋上で、不思議な少女ミライと出会う。彼女は雨に濡れず、どこか現実離れした存在感を持っていた。ミライは「雨は時間の粒かもしれない」と語り、翌日には姿を消してしまう。彼女を探しても誰もミライを知らず、やがて「僕」は自分だけが時間の異常に気づいていることに気づく。雨や時計の動きが不自然になり、記憶も曖昧になっていく。 　ある日、「僕」は図書館で『時間気象学入門』という謎の本を見つける。そこには「雨は時間の結晶」「時雨によって時間軸にズレが生じ、そこに取り残された人々を時間難民と呼ぶ」と記されていた。ミライは時間難民であり、「僕」もまた観測者として時間のズレに巻き込まれていた。現実が不安定化するのを防ぐには、ミライと「同期」し、時間を合わせる必要があると知る。 　再び屋上で雨の中、ミライの声と記憶の断片に導かれ、「僕」は過去の事故の記憶を取り戻す。かつて二人は親しい存在で、雨の日の事故でミライだけが命を落とし、時間の隙間に取り残されていたのだった。彼女の強い想いが「僕」を呼び寄せ、二人は再会する。ミライと「同期」するため、二人は小さな屋根の下で雨宿りをし、手を取り合う。その瞬間、世界が光に包まれ、二人の時間が重なり合う。 　事故が起こらなかった新しい時間軸で、二人は再び日常を歩み始める。時折、雨の日には別の時間軸の記憶が蘇るが、それも自分たちの一部だと受け入れる。やがて二人は結婚し、穏やかな日々を過ごす。雨粒の中には無数の可能性が映るが、「僕」は何度時間がずれても必ずミライを見つけ出すと誓う。雨宿りの約束は、どの未来でも、永遠に守られるのだった。