Bộ phim xoay quanh nhân vật chính trong "Nỗi buồn của Haruhi Suzumiya", Kyon, và liên quan đến việc anh ta rơi vào tình huống mà anh ta nhận ra Haruhi Suzumiya, người mà cuộc sống của anh ta thực sự xoay quanh, đột nhiên biến mất, và trong một nơi mà mọi người đều biết Haruhi vì sự lập dị của cô ấy, nhưng chưa bao giờ nghe nói về cô ấy. Điều này khiến Kyon không chỉ bối rối mà còn tìm kiếm câu trả lời để hy vọng hiểu được tận cùng của tình huống và khiến mọi thứ trở lại bình thường.
Vào ngày 18 tháng 12, Kyon phát hiện ra rằng một số dấu vết của Lữ đoàn SOS đã biến mất một cách bí ẩn khỏi cuộc đời anh. Mikuru và Yuki dường như không nhớ đã gặp anh ấy, còn Haruhi và Itsuki không học trường trung học North. Ngoài ra, tất cả các cựu thành viên Lữ đoàn đã trở thành người bình thường. Cuối cùng, Kyon nhận được một tin nhắn từ đối tác ngoài hành tinh của Yuki yêu cầu anh ta thu thập chìa khóa cho một chương trình có thể đưa anh ta trở lại thực tại của chính mình. Điều này bắt đầu Kyon trên một cuộc hành trình cuối cùng dẫn anh ta trở lại đêm mà Haruhi lần đầu tiên bắt đầu quan tâm đến việc gặp gỡ người ngoài hành tinh, người du hành thời gian và siêu năng lực gia.
