Tất cả bắt đầu với cái chết của một trong những thành viên của Câu lạc bộ Thiên văn học. Từ đó, tin đồn về hồn ma của câu lạc bộ trở nên sống động. Ganta Nakami, kẻ mất ngủ gắt gỏng, tình cờ gặp Isaki Magari vừa nổi loạn nhưng cũng dễ tính trong đài thiên văn bỏ hoang của Câu lạc bộ Thiên văn học. Magari giật mình tỉnh giấc và cố gắng trốn thoát khỏi hiện trường, nhưng cánh cửa bị hỏng đã ngăn cản điều đó, buộc cả hai phải vào trong. Cả hai đã tạo nên một tình bạn khó có thể xảy ra, khiến họ sử dụng đài quan sát như một không gian an toàn để họ tương tác. Kimi wa Houkago Insomnia kể về khoảng thời gian của hai người mất ngủ Nakami và Magari ở đài quan sát đầy sao khi họ giúp nhau đối phó với chứng mất ngủ và những ảnh hưởng lâu dài của nó đối với cuộc sống sinh viên.