La película transcurre en un futuro próximo no especificado en una pequeña ciudad japonesa, que la empresa tecnológica Hoshima utiliza como lugar de pruebas para múltiples sistemas y robots controlados por IA. La historia sigue a la estudiante de secundaria Satomi Amano, que vive con su madre, la especialista en IA empleada por Hoshima, Mitsuko Amano.

Tras un incidente en el pasado, Satomi se encuentra aislada en la escuela, rechazada por sus compañeros y distanciada de su amigo de la infancia Toma. Su madre está preparando una prueba secreta de un nuevo sistema de inteligencia artificial que se supone que no se distingue de los humanos.

En esta prueba, la IA va a pasar unos días en la clase de Satomi en un cuerpo robótico de aspecto realista como la estudiante de intercambio Shion Ashimori. Poco después de ser presentada en clase, Shion sorprende a todos al reconocer a Satomi, preguntarle si es feliz y ponerse a cantar.

En los días siguientes, Shion se empeña en hacer feliz a Satomi. Ayuda a Satomi a encontrar amigos, ayuda a estos amigos con sus problemas y arregla la relación de Satomi con Toma, todo con el poder de la canción.

Mientras tanto, queda claro que alguien manipula misteriosamente las grabaciones del sistema de seguridad de la escuela y los resultados de la telemetría de Shion para ocultar a Hoshima el comportamiento poco convencional de Shion.

Cuando la empresa acaba enterándose, Shion es violentamente apresada y preparada para ser eliminada. Pero Satomi y sus amigos deciden rescatarla, y se revela el misterioso vínculo de Shion con Satomi.