本动画片以一只公猫的视角，讲述了“他”与女主人在同一个屋檐下所过的略带感伤的淡然日子。很久之前的某天，“他”被美丽温柔的女孩捡回家，开始了自认幸福无比的生活。女孩孤身一人，做着一份“他”不知也不介意为何的工作，“他”在意的是女孩很早出门时的那副面庞、身上的那缕清香、问候“他”时的那声淡语以及爱抚“他”时的那份轻柔……以致后来，一只名叫“咪咪”的猫咪向“他”表白爱意时，“他”婉言拒绝——“他”早已被女孩深深征服。然而，一个个季节逝去，“他”终究无法抚慰她寂寞的心灵。

由新海诚原作的短片原创动画《她和她的猫》，宣布改编成TV动画，剧中的“她”将由花泽香菜担任声优，而黑猫的声优将由浅沼晋太郎担任，矢作纱友里将为“她”的友人配音。本作的导演由坂本一也担任，剧本为永川成基，人设·总作画监督将由参与制作过《黑色子弹》的海岛千本担任，制作则交给了liDENFILMS京都工作室。

故事始于2046年，为了追捕侵袭火星的外星人多鲁米斯星人，宇宙探索舰Lysithea号在各地挑选先发人员，初中生美加子（武藤寿美配）也成为一名宇宙员。开始了辗转于火星、太空基地、木星、冥王星等各地的演习。美加子离开地球后，她的同班同学小昇（铃木千寻配）仍然能收到来自宇 宙的问候——美加子时常发来短信告知近况，只是随着距离的扩大，短信送达地球的时间就会越来越长。“有一天一定能再见面吧！”对方都这么想着。可是，美加子终于杳无音信了。8年后，小昇在报纸上读到了8年前宇宙军和多鲁米斯星人恶战且几乎无人生还的新闻。此时手机突然响了：“24岁的小昇你好，我是15岁的美加子哦！……”手机屏幕上映出这样的话来。