高校卒業を控えた茜は、幼い頃からの相棒・パンダのぬいぐるみ「パン吉」を燃やそうとしていた。しかしその夜、パン吉が突然言葉を発し、自分には記憶を読み書きする特別な力があると告げる。やがて茜は東京の大学に進学し心理学を学び始めるが、同時期に「感情を持ちながら泣くことしかできないアンドロイド」の噂を耳にする。そしてついに彼女の前に、美しい銀髪の少年型アンドロイド「レイ」が現れる。 　レイは感情回路に異常を抱えており、すべての感情を涙でしか表せなかった。茜が能力で彼の記憶を探ると、その原因は初めて見た星空に圧倒され、回路全体が「感動の涙」に上書きされたせいだった。茜は記憶を修復し、レイは初めて笑顔を取り戻す。だがその頃、政府は記憶操作能力を持つ人間を探していた。茜とレイは狙われる立場となり、パン吉と共に各地を逃亡する。 　やがて茜は、自身の力が「記憶を共有する力」へ進化していると知る。レイは茜の記憶を抱え込み、互いの想いが愛へと変わっていく。観覧車の下、星空のもとで互いの愛を告白した二人は、もはや心も記憶もひとつとなっていた。しかし政府の特殊部隊に追い詰められたとき、茜はレイと力を合わせて部隊員全員の記憶を書き換え、存在を忘れさせることに成功する。瀕死の疲労の末に逃れた三人は、山奥の集落に身を寄せる。 　そこでは不思議な力を持つ人々が受け入れてくれ、茜は記憶に傷を負った村人を癒やし、レイは人間らしい生活を学び、パン吉は二人を温かく見守った。夜空に広がる満天の星。あの日レイの涙を生んだ星空は、今では茜とレイ、そしてパン吉にとって「家族の証」となり、レイの涙は愛と幸福の象徴へと変わっていた。