今年，升上高中的大八木朔（前野智昭 配音）即将回到童年时代曾经居住过的小镇完成自己的高中学业。在那里，他遇见了给自己制造过童年阴影的青梅竹马明野美星（伊藤加奈惠 配音）。在美星的强迫下，木朔加入了美星所在的社团——濒临废社的天文社。
　　在天文社里，木朔结识了一帮热爱天文的朋友们。对木朔有好感，追随其而来的莳田姫（户松遥 配音），成熟稳重的学姐矢来小夜（早见沙织 配音），莫名其妙入社的江户川正志（高木礼子 配音），对天文有着超越一切的狂热爱好的路万健康（间岛淳司 配音）。这些性格有些怪异的社友们在不断的给木朔制造麻烦的同时也丰富了木朔的课余生活，在不知不觉中，木朔对曾经一无所知的天文学渐渐产生了兴趣。

　　某天，柯南因感冒在家休息，期间接到了灰原哀的电话。原来灰原做出了APTX-4869的最新解药，虽然只是试制品，但一心恢复工藤新一身份的柯南仍然迫不及待赶往阿笠博士的实验室。服药后，新一终于回到原有状态，不过周遭的一切却似乎有所改变：博士院子里的树长高了，出现许多新的建筑物，体育老师变得苍老，班里的同学全是陌生面孔，甚至元太、光彦和步美也都变成高中生的模样。
　　他找到同样变成高中生的灰原，得知自己在过去的10年里不断服用解毒药导致产生抗药性，最近5年已无法变会原有状态。失落的柯南无奈看着周遭的转变，更让他倍受打击的是，小兰决定放弃杳无音讯的新一而嫁给新出老师。他们的恋情亦梦以幻，何以为终……

　　花户小鸠（花泽香菜 配音）是一个身份神秘的天然呆少女，她的工作就是治愈“受伤的心”，然后收集治愈后的心灵所留下的透明碎片。她是怎样拥有这样的能力，其目的又究竟为何，这一切都是谜题。在一次偶然之中，小鸠来到了一间快要废校的幼稚园，善良的园长冲浦清花（折笠富美子 配音）和园中可爱的孩子们感动了小鸠，她决定不再流浪，留在此处帮忙。
　　在幼稚园中，小鸠认识了孤儿藤本清和（前野智昭 配音），虽然清和经常对小鸠粗声粗语，但他的关怀之情溢于言表。此外，一些心灵曾经受过伤害的人们也渐渐的聚集在了小鸠的周围，在帮助他们的同时，小鸠的内心也逐渐得变得更加坚强。

平行世界的国家之一的“迷宫（Labyrinth）”，总统梅比斯为了策划征服全部的平行世界、得到达成必要的容量无限的“无限内存（Infinity）”，将三位干部送到四叶镇，目的是藉三位干部从人类身上所收集的不幸与悲伤，来注满“不幸计（FUKO Gauge）”。当不幸计储满后，“无限内存”便垂手可得。
　　平行世界中的另一国家“Sweets王国”的长老很快地察觉梅比斯的阴谋。为了阻止梅比斯，长老决定唤醒传说中的战士——光之美少女，在森林中进行祷告，解除了四枚能赋予光之美少女力量的变身钥匙“Pickrun”的封印。四枚钥匙为了找到光之美少女，穿越时空来到四叶镇。
　　在四叶镇中，神采奕奕的中学二年级少女桃园爱是人气舞团“三人组（Trinity）”的支持者，因被队长美雪的精彩舞蹈所感动而萌生“我也要像那样子跳舞！”的念头。可是在某场表演的途中，“迷宫”干部创造的怪物“那基华米基”对观众发动攻击，使会场陷入了大骚动。“想保护憧憬的人，想再看一次三人组的表演！”被这样的心情驱使，桃园爱靠着被抵达四叶镇的“Pickrun”寄身而化成的“变身手机（Linkrun）”，变身成为桃天使。与来自“糕饼王国（Sweets）”的塔鲁多和雪芳、陆续变身成光之美少女的好友苍乃美希、山吹祈里一起，为打碎“迷宫”的野心，并守护大家的笑容，以充满爱、希望和祈福的心，跟“迷宫”展开战斗。
　　其后，迷宫三干部之一的刹那也加入光之美少女的行列，一起面对从迷宫前来的新危机。