距圣诞节仅有8天时间，SOS团在凉宫春日的号召下，不出意料地策划了一场圣诞狂欢派对。但就在12月18日这天早晨，阿虚却发现周围的世界有了些许变化。1年9班消失不见，朝比奈学姐视其形同路人，甚至早已死去的朝仓也代替凉宫春日坐在了阿虚的后面，而春日则如同人间蒸发一般无人知晓。当他冲向SOS团的教室时，只看到了孤零零坐在角落里看书的长门有希，一向淡定自若、冷如冰霜的长门大神也变成了怯懦害羞的乖乖女。从前一日长门留下的蛛丝马迹中，阿虚判断出这个世界似乎被某人重组了一番。 此时的阿虚，握有连接两个绝然不同世界的钥匙，他面临着重大的选择……
转入景部高中的迷之美少女——诗音，因为拔群的运动神经和天真烂漫的性格在学校中迅速成为了受欢迎的女孩子，实际上，她竟然是处于实验中的“AI”。诗音突然在孤独的里美面前唱歌，并试图用意想不到的方式让她收获“幸福”。得知她是人工智能的里美、还有里美的青梅竹马兼机械爱好者东马、人气第一的帅哥小豪，意志坚强的女孩绫、柔道部成员桑达一行人，被诗音折腾着的同时，也被她执著的样子和歌声感动。诗音为了里美做出的某个行动，竟把她们卷入了大混乱中。稍显笨拙的人工智能和她的同学们交织成，充满温情和乐趣的电影。
