音楽とサブカルチャーの街「シブヤ」と人々の〝本当の想い〟が映し出された不思議な空間「セカイ」を舞台に、少年少女たちが自分の歌と〝本当の想い〟を見つけるアプリゲーム「プロジェクトセカイカラフルステージ！feat. 初音ミク（通称：「プロセカ）」が映画化された。

CDショップで聴いたことのないミクの歌を耳にした星乃一歌。彼女はモニターに、見たことのない姿の〝初音ミク〟を見つけ、「ミク!?」と思わず声に出す。その声に驚いたミクは、ほどなくして消えてしまう。後日、路上ライブを終えた一歌のスマホに、以前見かけたミクが姿を現す。寂しそうに俯くミクに、一歌が話を聞いてみると、〝想いの持ち主〟たちに歌を届けたいのだが、いくら歌っても、その歌が届かないという。ライブで多くの人の心に歌を届ける一歌の姿を見て、彼女のことを知れば自分も〝想いの持ち主〟たちに歌を届けることが出来るのではと考えたミクは、一歌のもとにやってきたのだった。ミクの願いに「私でよければ」と微笑みながら一歌は答え、初音ミクと少年少女たちの新たな物語が始まる。