《恋爱小行星》围绕着水野茜和苍井明日菜展开。水野茜小时候与父亲去山上露营，邂逅了一位神秘女孩，女孩送给她一块小行星切片，从此她便立志成为天文学家。升入高中后，茜加入天文社，却发现社团面临废社危机。而苍井明日菜是热爱矿石的少女，她所在的地质社也冷冷清清。 为了拯救社团，天文社和地质社决定合并为地学社。在共同的社团活动中，茜意外发现明日菜就是当年送她小行星切片的女孩。两人在探索宇宙与矿石的过程中，感情逐渐升温。她们一起外出考察，在野外寻找矿石、观测星空，在一次次的互动中，萌动的少女心不断发酵，共同谱写了一段充满青春与梦想、甜蜜又美好的故事。