Há dois anos, o amigo de Mitsuki Kouyama, Eichi Sakurai, mudou-se para a América antes que ela pudesse confessar seus sentimentos a ele. Embora ela não consiga contatá-lo, eles fizeram uma promessa de realizar seus respectivos sonhos: Mitsuki quer se tornar uma cantora profissional, e Eichi um astrônomo. Ela espera que um dia sua música o alcance em todo o mundo com um brilho como o da lua cheia. Há apenas um porém: Mitsuki sofre de câncer de garganta, o que torna sua voz "baixa" e cantar "extenuante". Sua avó, que odeia música, insiste para que Mitsuki faça uma cirurgia para remover o câncer, mas ela recusa devido ao risco de perder a voz. Um dia, dois "shinigami" — Meroko Yui e Takuto Kira — aparecem para dizer a ela que ela só tem mais um ano de vida. Essa revelação repentina impulsiona Mitsuki à ação, e ela decide que, com a ajuda de Meroko e Takuto, 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.