読み書きが苦手なために中学から不登校になり、不良となった岳人（小林虎之介）。二十歳になって夜間定時制高校に通い始めたが、１年経っても字が頭に入ってこない。さらにつるんでいた三浦からは麻薬の売買を持ちかけられ、岳人は退学を考える。そんな時、岳人の通う東新宿高校定時制に理科教師の藤竹（窪田正孝）が赴任。藤竹は岳人の中に眠る好奇心に気づき、彼をある「実験」に誘い出す。

四十歳を過ぎ、夫と娘の後押しを受けて東新宿定時制の高校生になった越川アンジェラ（ガウ）。しかし２年生になって勉強についていけず、通い続けることを諦めかけた時、担任の藤竹（窪田正孝）から物理準備室に呼び出される。彼女はそこで同じクラスの不良生徒、岳人（小林虎之介）が科学実験に打ち込む姿に驚く。藤竹はアンジェラも一緒に科学部にと誘うが、直後、彼女は学校で事件を起こしてしまう。

東新宿高校定時制で保健室登校を続ける１年生の名取佳純（伊東蒼）。養護教諭の佐久間（木村文乃）は来室ノートの中に、科学に関する彼女の書き込みを見つけ、藤竹（窪田正孝）に相談する。あるＳＦ小説を模した書き方から、佳純にとって保健室を出ることは困難なミッションだと気づき、藤竹はその小説にちなんだ実験で佳純が外に出るきっかけを作ろうと試みる。一方、佐久間は昔関わった生徒と佳純を重ね合わせ、不安を募らせる…

科学部の発足に向けて集まった岳人（小林虎之介）、アンジェラ（ガウ）、佳純（伊東蒼）が実験装置の制作に手こずる中、藤竹（窪田正孝）は七十代の生徒、長嶺省造（イッセー尾形）にも科学部参加を呼びかける。昔、町工場を営んでいた長嶺の技術を貸してほしいと藤竹は頼むが長嶺は拒否。そんなある日の木内（田中哲司）の授業中、長嶺は価値観の違いから岳人ら若い生徒たちと衝突。科学部に誘うどころではなくなってしまう。

岳人（小林虎之介）、アンジェラ（ガウ）、佳純（伊東蒼）、長嶺（イッセー尾形）の４人で正式に科学部が発足。顧問の藤竹（窪田正孝）は活動目標として、高校の科学部などが研究発表を行う学会への参加を提案する。しかし見学に訪れた発表会のレベルがあまりに高く、部員たちは参加を尻込みする。キャバクラに勤める岳人のクラスメイトの麻衣（紺野彩夏）は、珍しく落ち込む岳人を見て…。

学会で発表する研究テーマを「火星クレーターの再現」に決めた科学部。再現実験は校内で最も天井の高いコンピューター準備室で行う必要があると分かる。顧問の藤竹（窪田正孝）は全日制のコンピューター部の部長・要（南出凌嘉）に部屋を使わせて欲しいと相談するが、要は頑なに部屋を譲ろうとしない。一方、要との意外な接点を見つけた岳人（小林虎之介）は、要を説得しようと声をかけるが…。

ＪＡＸＡが“はやぶさ２”に続く新しい惑星探査“しののめプロジェクト”を発表。宇宙科学のエリートが集まったプロジェクトのリーダーに藤竹（窪田正孝）の大学時代の同期である相澤（中村蒼）が就任する。一方、藤竹が顧問を務める定時制高校の科学部は、手作りの装置で実験を行おうと部員それぞれが頭を悩ます。予算も設備も足りない中、バラバラだった科学部に少しずつ化学変化が起き始める。

惑星探査“しののめプロジェクト”の予算決定に大きな影響力を持つ石神教授（高島礼子）。ＪＡＸＡでは彼女が設定した非情とも言える目標を達成するために、相澤（中村蒼）が開発を急いでいた。一方、定時制科学部では学会発表のエントリー締め切りが迫り、部員に焦りが見え始める。顧問の藤竹（窪田正孝）が見守る中、実験に没頭する岳人（小林虎之介）は、徐々に周りが見えなくなっていく。そんな時、事件が発生する。

三浦（仲野温）に実験装置を破壊され、怒りに駆られた岳人（小林虎之介）は他の部員とも衝突。誰も部活に来なくなり、科学部は空中分解してしまう。岳人は一人では直せない実験装置を前に「諦めることには慣れていたはずだったのに…」と涙を流し、学校にすら来なくなる。藤竹（窪田正孝）は７年前のある出来事と岳人を重ね、似たような道をたどらせてしまったことに胸を痛めた。そして悩んだ末、藤竹はある人物を訪ねる。

藤竹（窪田正孝）が科学部を始めた本当の理由を明かしたことをきっかけに、科学部は再び結束。学会発表のエントリーにも間に合い、岳人（小林虎之介）と佳純（伊東蒼）が発表を担当することになる。一方、藤竹は恩師の伊之瀬（長谷川初範）から思いがけないオファーを受け、逡巡。岳人が藤竹の様子に異変を感じる中、学会発表の日を迎える。