1リットルの涙の池内亜也(沢尻エリカ)は、高校受験を間近に控えた中学3年生。明るく頼れる母・潮香(薬師丸ひろ子)と豆腐店を営む人情派の父・瑞生(陣内孝則)、そして3人の弟妹たち、亜湖(成海璃子)、弘樹(真田佑馬)、理加(三好杏依)に囲まれて、平凡ながらも賑やかで楽しい毎日を送っていた。
 名門進学校・明和台東高校の受験の日、亜也は、潮香たちに見送られ、張り切って家を出た。が、うっかりバスの中で寝過ごしてしまった彼女は、雨の中、慌てて走り出そうとして転び、ヒザをケガしてしまう。そんな折、亜也は、同じ高校を受験する予定だった麻生遥斗(錦戸亮)と偶然出会う。亜也がケガしていることを知り、彼女を自転車に乗せて明和台東高校まで連れて行く遥斗。そんな彼のおかげで何とか1科目めの試験時間内にたどり着いた亜也は、保健室での受験を許可される。一方、明和台東高校受験を止め、エスケープしようとしていた遥斗も、この一件のせいで、結局試験を受ける羽目になっていた。
 東高の合格発表日、亜也と親友のまり(小出早織)は、そろって合格する。同校に入学した亜也は、まりだけでなく、遥斗とも同じクラスだった。亜也と遥斗は、出席番号1番同士ということで、担任の西野(佐藤重幸)からクラス委員に任命され、さっそく来月に行われる合唱コンクールの準備を命じられる。
 中学校時代からバスケットボール部に所属していた亜也は、まりとともに同校のバスケ部に入部する。そこには、中学時代からの憧れの先輩・河本祐二(松山ケンイチ)がいた。が、このころすでに、亜也の身体には異変が起きていた。
 ある朝、元気に家を飛び出した亜也は、走り出すと同時に足がもつれ、店先で転んでしまう。しかも、手をつかない不自然な転び方をして、顔から落ちてアゴを切ってしまう亜也。保健師の仕事をしている潮香は、そのことを怪訝に思い、亜也の治療をした常南大学医学部付属病院の医師・谷口(佐藤誓)に相談した。事情を聞いた谷口は、神経内科の医師・水野宏(藤木直人)にそれを伝え、亜也の診察を依頼するが…。