Un cortador de bambú llamado Sanuki no Miyatsuko descubre una niña en miniatura dentro de un brote de bambú brillante. Creyendo que se trata de una presencia divina, él y su esposa deciden criarla como propia, llamándola "Princesa". La niña crece rápidamente, ganándose el apodo de "Takenoko" (タケノコ, "pequeño bambú") por parte de los niños del pueblo. Sutemaru (捨丸), el mayor de los amigos de Takenoko, entabla una estrecha relación con ella.

Miyatsuko encuentra oro y telas finas en el bosquecillo de bambú de la misma manera que encontró a su hija. Los toma como prueba de su realeza divina y comienza a planear convertirla en una verdadera princesa. Traslada a la familia a la capital, obligando a la niña a dejar atrás a sus amigos, y la familia se traslada a una mansión repleta de sirvientes. A la niña se le asigna una institutriz que se encarga de domarla para que se convierta en una mujer de la nobleza. La niña lucha contra las restricciones de la nobleza, añorando su vida anterior en el campo.

Cuando alcanza la mayoría de edad, se le concede el nombre formal de "Princesa Kaguya" (かぐや姫, "la princesa brillante"). Miyatsuko organiza una celebración, en la que Kaguya escucha a los asistentes a la fiesta ridiculizar los intentos de su padre de convertir a una campesina en noble a través del dinero. Kaguya huye de la capital desesperada y corre de vuelta a las montañas en busca de Sutemaru y sus amigos, pero descubre que todos se han marchado. Se desmaya en la nieve y se despierta en la fiesta.

Kaguya crece en belleza y atrae pretendientes. Cinco nobles intentan cortejarla, comparándola con tesoros míticos. Kaguya les dice que sólo se casará con quien pueda traerle el mítico tesoro mencionado. Finalmente, llega la primavera y la princesa desea ver florecer los cerezos. Su madre y una de sus sirvientas la llevan de vuelta al campo, donde no muy lejos de la cabaña en la que vivía, hay un árbol en flor. Deleitándose con su estallido de vida, se arremolina felizmente entre sus pétalos, hasta que tropieza accidentalmente con un niño pequeño. La familia del niño se lo lleva rápidamente, inclinándose en su presencia, recordando a la Princesa quién y qué es ahora.

De vuelta a la capital, el carro en el que va el grupo se encuentra atascado, cuando se oye un jaleo en el exterior. Kaguya se da cuenta de que varios hombres corren por las calles y, al ver a uno de ellos, reconoce a Sutemaru. Incapaz de contenerse, le grita, pero al darse cuenta de su posición en la vida, se retira rápidamente al carruaje mientras éste se aleja. Sutemaru intenta ir tras ella, pero es golpeado por sus intentos, mientras Kaguya llora.

Dos pretendientes intentan persuadirla con falsificaciones, el tercero abandona su búsqueda, y el cuarto le da a Kaguya una flor en lugar de su tesoro, pero es encontrado por su esposa antes de que Kaguya pueda aceptar. Cuando el último pretendiente muere en su búsqueda, Kaguya se deprime. El Emperador se fija en la belleza de Kaguya e intenta secuestrarla, pero ella le convence para que se vaya.

Kaguya revela a sus padres que vino originalmente de la Luna. Una vez que residió allí, rompió sus leyes, esperando ser exiliada a la Tierra para poder experimentar la vida mortal. Cuando el Emperador se le insinuó, rogó en silencio a la Luna que la ayudara. Tras escuchar su plegaria, la Luna le devolvió sus recuerdos y le dijo que sería reclamada durante la próxima luna llena. Kaguya confiesa su apego a la Tierra y su reticencia a marcharse; Miyatsuko jura protegerla y comienza a convertir la mansión en una fortaleza.

Kaguya regresa a su pueblo natal y encuentra a Sutemaru. Los dos se profesan su amor, y en su alegría, vuelan sobre el campo, sólo para encontrarse con la Luna y caer. Sutemaru se despierta solo y se reúne con su mujer y su hijo, interpretando la experiencia como un sueño.

En la noche de luna llena, una procesión de seres celestiales encabezada por Buda desciende de la Luna, y Miyatsuko es incapaz de detenerla. Un asistente ofrece a Kaguya una túnica que borrará sus recuerdos de la Tierra. Se le concede un último momento con sus padres antes de que un asistente la envuelva con la túnica, que parece borrar su memoria. Se marchan, y Miyatsuko y su esposa se muestran consternados. Kaguya mira a la Tierra por última vez y llora al recordar su vida mortal, que ahora es sólo un sueño para ella.