Dois anos atrás, o amigo de Mitsuki Kouyama, Eichi Sakurai, mudou-se para a América antes que ela pudesse confessar seus sentimentos a ele. Embora ela não possa contatá-lo, eles prometeram realizar seus respectivos sonhos: Mitsuki quer se tornar um cantor profissional e Eichi um astrônomo. Ela espera que um dia sua música o alcance por todo o mundo com um brilho como o da lua cheia.

Só há um problema: Mitsuki sofre de câncer na garganta, o que torna sua voz baixa e seu canto cansativo. Sua avó, que odeia música, insiste que Mitsuki faça uma cirurgia para retirar o câncer, mas ela recusa devido ao risco de perder a voz. Um dia, dois shinigami – Meroko Yui e Takuto Kira – aparecem para lhe dizer que ela só tem mais um ano de vida. Esta revelação repentina estimula Mitsuki a entrar em ação, e ela decide que, com a ajuda de Meroko e Takuto, ela se tornará uma cantora profissional no tempo que lhe resta.

Full Moon wo Sagashite segue a emocionante história de Mitsuki e seus amigos shinigami enquanto eles descobrem o que significa cantar – e, em última análise, o que significa viver.