千代美与小南是青梅竹马的邻居，但是长大后的两个人却形同陌路。千代美梦想成为一名舞者，她一边辛苦训练，一边在网上写着自己的连载小说。同班同学高木陆暗恋千代美，并大胆向她表白。然而千代美心中一直对小南的漠视耿耿于怀。小南与班上的美女同学野村关系很近，千代美多次试探并没有什么结果……千代美一时冲动，打算去东京参加舞蹈比赛，因此与父母发生了口角离家出门……

千代美宿夜未归，家里人非常担心。小南听妈妈笑子说千代美不见了之后便出去寻找，终于在公园的隧道里找到了身材变小不知所措的千代美。小南暂时把千代美安置在自己房间然后去学校。学校里千代美失踪的事也流传了开来，高木和亚美都非常担心她。 小南因为担心千代美而假装生病早退回家，并告诉千代美由于她的失踪，在学校也引起了轩然大波。千代美担心被大家误以为自己遇上什么不测，请求小南去公园把自己落在那的衣服鞋子还有手机给取回来。 回家之后，小南要求千代美回她自己的家，千代美却不愿意。最后小南只能妥协，要求千代美至少打电话回家报平安。 放学后，高木和亚美赶到了千代美家，高木被巡警当做凶手，正引起骚乱的时候大家接到了千代美打来的电话。千代美骗父母说现在在东京，因为要参加海选所以暂时回不了家。虽然千代美的父母很生气，但千代美平安无事，终于松了一口气。

3天过去了，千代美的身体没有恢复的征兆。小南突然想起来，小时候奶奶说过“一寸公主”是在满月的晚上，用从鬼怪手里抢来的“万宝槌”敲打才变回正常的。传说中的万宝槌被供奉在高须神社的藏宝殿，两个人决定用“万宝槌”来恢复千代美的身体。 千代美和小南偷偷潜入高须神社，在藏宝殿找到了传说中的“万宝槌”。两人挥舞起槌子后被一片奇妙的光包围了起来，千代美高兴的觉得“我可以变回去了！”，片刻之后她还是原来的样子待在小南的口袋里。 小南发现这和千代美变小的那天的天气一模一样，觉得去做和那天晚上一样的事的话说千代美不定就能变回去。两人一起在公园的隧道里过了一夜，但是还是什么都没有发生。 在隧道里待了一夜的小南发烧了，这天正好小南的奶奶和妈妈都不在，千代美很努力的想照顾小南，但是什么都做不了。这时候野村来了。野村照顾小南，躲在壁橱里偷偷看着这一切的千代美非常伤心。

千代美决定一个人潜回自己的家，偷出一些衣服来。这时，巡警堺泽来到小南的家，提醒登美子奶奶最近附近发生多起盗窃事件。 千代美趁奶奶出门买东西的时候从房间的窗户溜出，回到了自己的房间。从床底下的箱子里翻出了一些人偶用的衣服和物品，把东西包在手袋里背回了小南的家。正在这个时候，千代美发现一个陌生的女人（潮田香苗）偷偷摸摸的打开窗户潜入小南的家。 千代美想要马上通知小南，慌张张的千代美只打了“小偷”两个字就发送了出去。那女人刚要踏进小南的房间的时候，听到楼下有人进来，马上离开下了楼。来的人是那个带着墨镜和帽子的神秘男人。千代美把书弄到地上发出声音，又开了音乐。楼下的两人听到声音后吓得逃走。 看到千代美的消息小南急急忙忙从学校赶回，问起奶奶是否有小偷侵入的时候，奶奶矢口否认。回到房间，看见千代美安然无恙小南终于松了一口气。千代美很威风的跟小南讲述赶走小偷的过程。

千代美因为不小心从小南的口袋里露出脸而被高木看到。高木以为是千代美的手办而非常佩服赞叹这个做工。放学后，野村的爸爸告诉野村即将再婚，野村大受打击夺门而出，笑子正好看见就追了过去。 千代美的妹妹明日香跟小南约好了让小南教她念书。晚上，千代美来到小南的房间，看到了用零食的盒子做成的千代美的家，还发现里面放着一些衣服和物品都是姐姐千代美的东西。千代美怀疑小南莫非是变态，想要知道小南的秘密，所以打开了放在桌子上的小南iPad…… 学习结束后，明日香回家，笑子带着野村回来了。女生们接二连三来到小南家，让千代美非常的不舒服。野村帮着笑子做晚餐，笑子夸奖野村厨艺精湛，野村泪汪汪的说自己没有母亲，所以一直只能自己给自己做东西吃。晚上，野村来到小南的房间，拥抱小南还想要亲他。千代美看到后情不自禁的出声阻止，小南因为千代美的突然发声而慌慌张张的把野村赶出了房间。 第二天，千代美被登美子奶奶发现了。但是奶奶看到变小的千代美一点都不惊讶，把千代美当成了“一寸公主”。

登美子奶奶给千代美穿上自己缝制的迷你和服非常开心，她一直把千代美当成了“一寸公主”。千代美的妈妈律子来探病，千代美慌张的躲到了抽屉里。律子跟奶奶说起了丈夫让二。千代美不回家，律子和丈夫每天都吵架。让二每天关门以后就出去喝的醉醺醺的才回家。律子觉得丈夫其实根本不爱自己，他连向自己求婚都没有过。妈妈的话让千代美很吃惊。 明日香发现姐姐在用小南的iPad给自己发邮件之后，找到小南希望他能告知姐姐在哪里。被迫无奈的小南只能说千代美现在是因为不得已的理由所以才不能现身。明日香追问小南连家人父母都不能说的理由是不是在和姐姐交往，小南只能回答要是明日香这么认为也没有办法。明日香很吃惊，但是表示相信小南，然后离开。 千代美听到小南的话很开心，即使说在交往只是个谎言自己也非常的满足。然后千代美就想莫非母亲也和自己一样，于是决定给父亲打电话。接到千代美电话的父亲非常生气，问她是不是真的没有参加海选。千代美希望父亲把对母亲的感情，以及是因为喜欢母亲才和她结婚的事诚实的告诉母亲。

登美子奶奶病倒住进医院。来陪夜的小南因为失误把一起跟来的千代美给弄丢了。 千代美在医院被一个叫做MIYU的小女孩发现了，MIYU把她当成了小精灵，用绳子把她绑了起来。 第二天，小南为了找千代美又去了医院。在找寻的途中遇到了明日香，两人一起去病房探望奶奶。MIYU慌慌张张的想把千代美藏起来而弄翻了桌子上的花瓶。倒下的花瓶里的水泼在了明日香身上，小南掏出手帕帮她擦拭。 明日香回去以后，小南试着问奶奶是否真的“一寸公主”，奶奶说知道哦，并告诉了小南“一寸公主”就在MIYU那里。MIYU没有办法只能把千代美还给了小南。 小南在和千代美去探望奶奶的路上被明日香逮住，明日香质问小南千代美是否在他家，千代美看瞒不下去了只能现身，三人一起前往病房。 在病房，看见MIYU的绘画册上画着她的妈妈，知道了MIYU以为自己是不乖的小孩所以妈妈不喜欢她。千代美想出了一个计策，将MIYU的内心想法传达给她的妈妈。野村质问小南是不是喜欢千代美，小南诚实的回答说从小到大，眼里只有千代美。

千代美的妈妈决定向警局提出失踪搜查请求，明日香努力的想阻止母亲。 学校里，大家都在流传说千代美就是网络小说作家“月兔Micaela”，大家开始一起追《口袋里的迷你女孩》的连载。小南看了小说以后才明白千代美对自己的心意。 小南承认自己对千代美的心意，说自己从很小的时候就喜欢千代美。但是看到自己尊敬的父亲为了别的女人离家出走，看到自己伤心哭泣的母亲便不再相信爱情。千代美听到小南的自白以后非常开心，发现自己原来和小南是两情相悦。高木发现缩小的千代美非常惊讶，千代美解释了自己变小的经过。 高木帮助千代美调查“一寸公主”的故事，发现“一寸公主”要恢复原来大小仅仅靠万宝槌是不够的，还需要朝海峡上升起的旭日朝拜。于是，小南就带着千代美到了温泉乡。晚上，两人像新婚的夫妻一样睡在一起，非常紧张。 第二天，天还没亮的时候两人就出发前往海峡，等待朝阳升起。当阳光透过海平面照射出来时，两人一起朝着太阳许愿“请让我（千代美）变回原来的样子！”

两人朝着冉冉上升的旭日朝拜，但是什么都没有发生。非常失落的千代美怀疑自己难道就要一辈子这个样子。回去的路上，千代美向小南提议忘记两人之间发生的事情，自己不想成为他的负担。小南很生气，两人开始争吵。这个时候一辆车冲了过来撞向小南，两人被撞开。 急忙赶过来的律子发现了在满头是血的小南的身旁有一个一直叫着小南名字的迷你版千代美，非常惊讶。律子安抚千代美，叫来了救护车，小南被送往医院。 小南终于醒过来，房间只剩下两人，千代美靠着小南哭的很伤心，跟小南道歉，说自己一直只想到自己的事情，其实身体不能恢复也没有关系，只要能一直陪在小南身边就满足了。但是不论千代美如何哭泣，小南都没有回应。 发现小南恢复意识，千代美也变回原来大小的律子和笑子非常开心。半年以后，在学校的同学和附近邻居的祝福下，小南和千代美在毕业的同时，在一家可以看到海的酒店举行了结婚仪式。