影片穿越时空的少女2010讲述了高中生芳山光（仲里衣纱饰）的故事。虽然已经成年，她对父亲长谷川政道的记忆，却只停留在童年分别时逐渐远去的背影。作为电影摄影师，政道常年忙于工作、四处奔波，光一直与母亲芳山和子（安田成美饰）相依为伴。
和子在大学从事药学研究，并取得了重要成果，母女二人的生活也因此迎来转机。然而，意外很快降临：和子遭遇车祸陷入昏迷，只留下“回到过去，再见一面深町一夫”的话语。为了替母亲完成心愿，光服用了和子研发的药物，穿越时空回到20世纪70年代。由于操作失误，她回到的是1974年，而不是1972年，因此始终找不到深町一夫的线索。
在寻找一夫的过程中，光偶然遇见大学生凉太（中尾明庆饰），并向他寻求帮助。凉太陪着她一起展开调查，而光也住进了他的狭小公寓，协助他追逐电影梦想。相处之中，凉太逐渐对光产生了爱意。
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