高校二年生の町田雛は、平凡で退屈な自分を変えたいと思い、親友の工藤紅子と共に夜の街に繰り出す。ゲームセンターで、雛は黙々とゲームをする男に興味を抱く。そこで分かり合い、一緒に食事をした2人。その後、男は雛に朝まで一緒に寝て欲しいと頼み、恐る恐るついていく。駅のコインロッカーに荷物を預けた雛は翌朝、駅のトイレで着替えをすませて登校する。しかし翌日の数学の時間、現れた新任教師の湖賀郁巳を見て愕然とする。それは昨日一緒に寝た男だった。しかし彼は気付かない様子で、立ち尽くす雛に知らん顔で「どうしたのか」と聞くだけだった。
湖賀の家に行った雛は、「帰れ」と怒鳴られる。実は彼は、大量の薬を服用していた。ある日、体育の時間にバスケットボールで頭を打った雛は、次の湖賀の授業中に倒れてしまう。仕方なく湖賀は救急車で雛を病院に連れて行く。しばらく寝て回復した雛は、院内をうろうろしていた。雛は別室で医師が湖賀に余命半年という病状を言ったのを聞き、自分のことだと思ってしまう。しかし、それを湖賀はあえて否定しなかった。
自らを余命わずかの難病と思い込んでしまった雛だったが、湖賀はすぐに本当の話を打ち明けるつもりだった。しかしその折、怖くて眠れないという雛の言葉に自分との共通点を見出した湖賀は、真相を言い出せなくなった。自らの苦しみを完璧に理解し得る存在を手に入れた湖賀の「実験と観察の日々」が始まった。
雛に重大な嘘をついている罪悪感から、湖賀は雛のささやかな望みくらいは叶えてあげようと一緒に遊園地に行く。水泳部所属の三年生・江沢真美の邪魔もあって雛を突き放してしまい、姿が見えなくなった雛を湖賀は必死に探すのだった。
死ぬ前に恋愛がしたいと明るく話す雛。湖賀はそれを自らへの想いと気付かず、甥の正太を紹介する。ふとしたことから湖賀は悠次に自らの病状を知られてしまう。一方、紅子は自分を食い物にするホスト・上谷悠次の仲間に肩や腕を捕まれ集団レイプされる。
湖賀への気持ちを支えにして、懸命に明るさを保つ雛。しかし、湖賀は雛の気持ちを受け止めようとはしない。ある晩、湖賀を驚かせようと部屋に隠れていた雛は、湖賀と彼の主治医・橘百合子の情事を目撃してしまう。
次第に雛を愛しく思うようになっていた湖賀だったが、雛の気持ちを受け入れてはならないと自らに言い聞かせる。湖賀に拒絶され、半ば自暴自棄になって正太と結ばれようとした雛を前にしてようやく雛の存在の大きさに気付いた湖賀は、ついに雛と結ばれる。
雛との愛を通じて、湖賀は穏やかな幸せの中にいた。その幸せはいずれ破綻が訪れることも忘れ…。悠次に湖賀の病状を聞かされた雛は、湖賀を疑うことへの罪悪感を抱きつつも、橘の元を訪れて真実を聞かされる。湖賀は雛から「悪魔」と罵られる。
ついに雛に真実を知られてしまった湖賀。唯一の希望であった雛を失ってしまったショックは想像以上に大きく、自分を見捨てないで欲しいと、もはや形振り構わず懇願する。雛は自分の湖賀への気持ちが一体何であったのか整理がつかず、頑なに拒絶してしまうのだった。
全てを失った湖賀は、橘の別荘で穏やかに最期を迎えることを決意し、教師を辞して雛の前から姿を消す。自分が湖賀を深く愛していることを再認識した雛は、湖賀を追いかける。
雛と共に東京に戻った湖賀は学年主任の藤村知樹が悠次に刺されて死んだことを知り、次は自分の死ぬ番が来たと考え、恐怖におびえる。そんな湖賀を懸命に支えようとする雛だったが、ふと目を離した隙に湖賀を見失ってしまう。