A história do Koisuru Asteroid segue Mira Konohata, uma menina que desenvolveu sua paixão pela astronomia depois de observar as estrelas com um menino chamado Ao Manaka em um acampamento quando ela era mais jovem. Quando Mira entra no ensino médio, ela se junta ao clube de astronomia com a intenção de descobrir novos asteroides, mas o clube de astronomia não tem membros suficientes, por isso é absorvido pelo clube de estudos geológicos. Depois de se juntar ao clube, Mira se reúne com Ao, apenas para descobrir que ela estava enganada e Ao não é um garoto. Juntas, Mira e Ao se esforçam para descobrir novos asteroides para cumprir sua promessa de infância.