《悠之空》主要講述了主人公春日野悠和他的雙胞胎妹妹穹在父母因事故去世後，搬到祖父的家中開始新生活的故事。
穹因為事故康復後，回到了家中，但生活無法自理，悠需要照顧穹，同時還要處理家務和經濟壓力。在這個過程中，悠與穹之間的感情逐漸升溫，發展為愛情故事。穹對悠的感情純真而深厚，而悠雖然明白兩人不能發展進一步的關係，甚至不能結婚，但仍無法控制自己的感情。穹逐漸意識到這份感情的重要性，而悠也在生活的壓力下接受了這段感情。
遊戲的劇情在穹和悠的情感發展中展開，包括穹和悠在奧木染村的生活、與兒時朋友的重逢、以及穹和悠前往北歐（赫爾辛基）旅遊的故事。遊戲的劇情以穹和悠的愛情故事為主線，同時也擴充了其他角色的故事線，如天女目瑛、渚一葉、乃木坂初佳、依媛奈緒和中里亮平等角色。