有这样的两兄弟，他们憧憬着宇宙，每日追逐着星空。
天然卷发的哥哥南波六太（小栗旬 饰）和冲天直发的弟弟南波日日人（冈田将生 饰）两兄弟，幼时在目击了飞往月球的UFO之后，相互定下了“两人一起去宇宙吧！”的约定。
时光飞逝到了2025年，弟弟日日人实现了当年的约定，成为了一名宇航飞行员，在全世界的瞩目之下即将踏上前往月球的旅途。然而哥哥六太却因为头槌攻击上司而被汽车公司开除，成了一个无业人员。待业的六太某日收到了JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）送来的宇航员选拔考试材料合格通知。原来瞒着已经把过去的约定忘得一干二净的哥哥，日日人替六太报名参加了宇航员选报考试。
“你忘了吗，那个约定”
感受到日日人的心意后，六太再一次向着曾已经放弃了的梦想发起了冲击，同时，日日人也迎来了飞向宇宙的那一天。看着发射升空的火箭，六太对宇宙的憧憬之情也愈发地浓厚了起来。在经过激烈竞争之后六太终于迎来了最终选拔，然后此时，日日人所乘坐的月面探查器却和地面失去了联络……
地球和月球。分隔在宇宙两端的兄弟在描绘着同一个梦想……
本片改编自小山宙哉所著的同名漫画《宇宙兄弟》。原作发行量超过800万部，并于2011年一举获得讲谈社漫画赏和小学馆漫画赏，成为史上首部同年获得这两个奖项的漫画。本片在拍摄过程中前往NASA（美国国家航空航天局）肯尼迪航天中心取景，并获得了JAXA的全力支持。主题曲更是采用了英国摇滚乐队coldplay （酷玩乐队）的热门单曲Every Teardrop Is A Waterfall，这也是酷玩乐队首次为日本电影作品提供主题曲。