與母親兩人生活在東京的少女未步(夏帆),夢想是當一位科幻小說作家,一天未步跟母親見母親的再婚對象,未步不能接受母親再婚,於是忿然離去.期間遇上地震,未步的手提電話掉落樓梯不見了.

晚上,未步嘗試致電自己失去的手題電話,希望能找回電話,但是嘗試許多次也接不通,後來電話終於接通了,電話另一端傳來一位男性的聲音,一位自稱宮田時次郎(佐野和真)的男生,未步要求拿回電話,時次郎交代了住址後,電話突然斷線.

第二天,未步按地址找尋時次郎,但卻找不到,詢問附近的人也沒有人得知宮田家的所在,未步認為時次郎戲弄她,於是再嘗試致電給時次郎,.時次郎堅稱地址無誤,兩個人各執一辭,另外未步亦發覺時次郎有點怪怪的,對方連手提電話也不懂得使用,在多次的對話後,未步突然想起科幻故事的情節,打趣地問起時次郎身在何年何日,時次郎竟然回答說他身在相距約一百年的明治時代,而時次郎亦透過未步對他的時代的預言,確信未步是身處未來的少女,兩個不同年代的人便開始用手提電話閒談.

閒談中未步得知時次郎是一位大學生, 夢想是當一位小說作家,更是大文豪夏目漱石的門生,由於父親反對他成為小說作家,時次郎正處於進退兩難的階段,未步決定找尋時次郎的作品,希望能找到後給予他鼓勵,可惜卻遍尋不獲,就在未步不知怎樣向時次郎交代時,時次郎卻對未步要求不要告訴他未來的事,於是兩人便放棄了時次郎未來的話題.

兩個從未相見的人,透過手機隔著時空互相鼓勵,時次郎更解開了未步對母親再婚的心結,一天時次郎突然向未步提出約會,兩人透過手機,在相距一百年的銀座約會,兩人不斷交換著不同時空的銀座風景,雖然兩人身處不同時空,但是兩人仍然找尋一些在百年間依然存在的地方,在經過一間百年歷史的服裝店,時次郎在店內留下了一份禮物給未步.

再次和母親的未婚父相見期間,未步得知了一件關乎時次郎生死的歷史事件,未步決定通知時次郎,就在電話再次接通時,時次郎的手機電池亦快將用盡了........

初看電影時,感覺故事有點像《世界奇妙物語》其中一個故事《手機將軍》,《東京少女》亦是一個穿越時空的故事,更是一個愛情故事,電影分開了兩個時空,兩個主角分別再明治時期和現代各自生活,《東京少女》中的未步與時次郎從來沒有相見,甚至連對方的樣子也沒有見過,只能透過手提電話和有限的手機電池發展一段永遠捉不到的感情,為電影故事添上一份淒美,電影中的角色不多,劇情集中於未步與時次郎的對話交流上,這樣令到電影簡單得來又能令到觀眾投入兩人的感情中,當故事來到結尾時更能觸動觀眾的心,同樣是穿越時空愛情故事,《東京少女》相對於早前的《我的機械人女友》,雖然沒有了奇情曲折,經天動地的大場面,但是《東京少女》卻來得合情合理,相比之下,《東京少女》更令人看得舒服滿足.