実写映画化もされた講談社『モーニング』の同名漫画をアニメ化。兄弟の絆や夢を追うことの素晴らしさに感動できる一方、JAXA全面協力によるリアルな描写も見どころ。
少年時代、二人で宇宙へ行こうと誓い合った弟・ヒビトと兄・ムッタ。19年後、ムッタは無職となっていたが、幼き頃の夢を叶えるべく、ヒビトの遥か後ろから宇宙飛行士を目指し始める。約束の宙（そら）を目指す、宇宙兄弟の物語が始まる。
2006年7月9日。月へ向かうUFOを目撃した南波六太と日々人の兄弟は、その感動から「2人で宇宙飛行士になる」と約束を交わす。そして2025年、成長した弟･日々人は約束通り宇宙飛行士となる。
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日々人と母のおかげでJAXAの新規宇宙飛行士の選抜試験に書類合格した六太。しかし2人の気持ちには感謝しながらも、「兄が弟に引っ張られるわけにはいかない」と一次審査に進むべきか迷っていた。
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晴れてJAXAの一次審査･筆記試験に合格した六太は、宇宙飛行士になるため、続く二次審査に挑んでいた。体力測定が始まると、六太は同じ受験者である沢木と溝口から思いもよらない言葉を浴びせられてしまう。
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1週間続いたJAXAの二次審査も残すは最終面接だけとなっていた。これまで弟･日々人と比べられ、はた迷惑な注目を浴びていた六太も、ここぞとばかりに気合いを入れる。最終面接を終えた六太が目にしたものは…。
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JAXAの二次審査を終えた六太は、日々人に呼ばれアメリカ･ヒューストンへ来ていた。ようやく日々人と再会を果たした六太だが、兄弟一緒に宇宙へ行くと信じて疑わない日々人に、六太は言いづらい一言を放つ。
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日々人の招待で、NASA･ジョンソン宇宙センターを訪れた六太。月面基地や火星探査のジオラマ展示に子供のようにはしゃいでいたが、案内役のジェニファーに日々人のトレーニング姿を見せられ、心境は一変する。
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元後輩から「元上司が六太の悪口をあることないことJAXAにぶちまけた」と聞いた六太は自暴自棄になっていた。日々人から何かあったのかと問い詰められた六太は、覚悟を決めて重い口を開いた。
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消火器男に襲われピンチを迎えた六太だったが、結果、市民を救ったヒーローとして人気者になっていた。六太を称賛する声は一斉に広がり、全国ネットのテレビにも出演。一緒にいたオジーも熱弁を振るうのだが…。
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JAXAの三次審査を受けるため、日本へ帰国することになった六太。しかし嬉しいはずのその表情は硬く、飛行機の中でも悪夢にうなされる。それは帰国前、部屋で偶然見つけてしまった日々人の遺書が理由だった。
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ケンジもせりかも、強い覚悟や動機があって宇宙を目指していると知った六太。しかし自分にあるのは宇宙への憧れだけ、それだけで宇宙飛行士を目指して良いのか迷う六太は、三次審査当日、シャロンの元を訪れる。
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