Asumi Kamogawa é uma pequena garota de 14 anos com uma paixão ardente pelo cosmos, especialmente pelas estrelas. Desde a primeira infância, ela aprende sobre o espaço com um homem que chama de "Lion-san", um fantasma sábio e amigável que usa uma cabeça de leão gigante. Apesar de uma dinâmica familiar difícil, Asumi decide se matricular na Escola Espacial de Tóquio. Asumi logo faz um grupo de amigos na escola: Shinnosuke Fuchuuya, seu amigo de infância que usa óculos e tem uma franqueza um tanto brutal; Kei Oumi, uma garota muito amigável inspirada pelas fotos de Neil Armstrong do primeiro pouso lunar; Marika Ukita, uma garota antissocial, mas bonita, com seus próprios segredos; e Shuu Suzuki, um garoto ousado, mas inteligente, com uma perspectiva muito descontraída. Ambientado em um futuro alternativo onde o primeiro foguete tripulado do Japão caiu em 2010, Futatsu no Spica é uma história de amadurecimento que gira em torno desses jovens estudantes do ensino médio e seu caminho rumo às estrelas.