《STARRY☆SKY》讲述了一位少女进入星月学园的故事。星月学园是一所位于乡村的全日制高中，以天文教育为特色，过去曾是男校，近年来开始招收女生。由于地处偏僻，加上课程过于专业，至今入学的女学生仅有主人公一人。幸运的是，她儿时的玩伴们也在这所学校就读，这让她不再感到孤单。在学园中，主人公与一群性格各异的男生相遇，他们分别是东月锡也、土萌羊、七海哉太、金久保誉、宫地龙之介、木之濑梓、星月琥太郎和阳日直狮。随着故事的展开，主人公在与他们的相处中逐渐成长，并共同探索天文知识的奥秘，同时也在日常校园生活中收获了友情与爱情的温暖故事。