Tudo começou com a morte de um dos membros do Clube de Astronomia. A partir disso, o suposto fantasma do clube ganhou vida. O rabugento e insone Ganta Nakami se depara com o moderadamente rebelde, mas tranquilo Isaki Magari, no observatório abandonado do Clube de Astronomia. Magari é acordada e tenta escapar de cena, apenas para ter uma porta quebrada impedindo isso, forçando os dois a entrar. Os dois formam uma amizade improvável, levando-os a usar o observatório como um espaço seguro para interagirem. Kimi wa Houkago Insomnia segue os insones Nakami e Magari no observatório estrelado enquanto eles se ajudam a lidar com a insônia e os efeitos duradouros que ela tem na vida estudantil.