Project Sekai Movie: Kowareta Sekai to Utaenai Miku di sebuah toko CD, Ichika Hoshino secara tak sengaja mendengar lagu Hatsune Miku yang belum pernah ia dengar sebelumnya. Ketika menatap layar monitor di toko itu, ia melihat sosok Miku dalam wujud yang berbeda dari biasanya. Karena terkejut, Ichika spontan berseru, “Miku!?” — dan secara ajaib, Miku menoleh, matanya bertemu dengan Ichika sebelum akhirnya menghilang.

Keesokan harinya, setelah tampil dalam pertunjukan musik jalanan, Ichika melihat sosok Miku yang sama muncul di layar ponselnya. Kali ini, Miku tampak sedih dan kehilangan semangat. Saat Ichika menanyakan apa yang terjadi, Miku mengaku bahwa meski ia terus bernyanyi, lagunya tak pernah sampai ke hati siapa pun.

Melihat bagaimana Ichika bisa menyentuh hati banyak orang lewat suaranya, Miku pun berpikir mungkin ia bisa belajar sesuatu darinya. Dengan lembut, Ichika tersenyum dan berkata, “Kalau begitu, ayo kita coba bersama.” Dari sanalah kisah baru antara Hatsune Miku, Ichika, dan para remaja yang terhubung lewat kekuatan musik pun dimulai.