Semuanya dimulai dengan kematian salah satu anggota Klub Astronomi. Dari sini, hantu klub yang dikabarkan menjadi hidup.

Pengidap insomnia pemarah, Ganta Nakami menemukan Isaki Magari yang cukup memberontak namun santai di observatorium yang ditinggalkan Klub Astronomi. Magari tersentak bangun dan mencoba melarikan diri dari tempat tersebut, tapi pintu yang rusak mencegahnya melakukah hal tersebut. Keduanya menjalin persahabatan yang tidak terduga, membuat mereka menggunakan observatorium sebagai tempat yang aman bagi mereka untuk berinteraksi.

Kimi wa Houkago Insomnia menceritakan penderita insomnia Nakami dan Magari di observatorium berbintang saat mereka saling membantu mengatasi insomnia dan efek yang ditimbulkannya pada kehidupan sang siswa.