《浪漫追星社》讲述了升入高中的大八木朔（前野智昭 配音）回到童年时曾生活过的小镇，并在那里开始高中生活的故事。没想到，他重遇了曾给自己留下童年阴影的青梅竹马明野美星（伊藤加奈惠 配音）。在美星的坚持下，朔加入了她所在的天文社——一个正濒临废社的社团。
社团里，朔认识了形形色色的成员：对他抱有好感并一路追随而来的莳田姫（户松遥 配音），成熟稳重的学姐矢来小夜（早见沙织 配音），不知为何加入社团的江户川正志（高木礼子 配音），以及对天文学怀有近乎狂热执着的路万健康（间岛淳司 配音）。这些性格独特的伙伴不断给朔带来各种麻烦，却也让他的课余生活变得充实起来。在与大家相处的过程中，朔对原本一无所知的天文学逐渐产生了兴趣。
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