主人公ジョバンニは貧しい家庭の子供で、病気に苦しむ母親を養うために懸命に働いていた。彼の親友カムパネルラは裕福な家庭に生まれ、家には多くの本があり、よく貧しいジョバンニを気前よく家に招いて一緒に読書をしていた。ある日、自然科学の授業で先生が銀河の写真を取り出して生徒たちに質問した。ジョバンニが指名された時、彼は答えを知っていた。かつてカムパネルラの家で一緒に本で読んだことがあったからだ。しかし、彼は劣等感から間違えることを恐れて答えられず、結局一部のクラスメートに嘲笑されてしまった。ジョバンニの面子を守るために、カムパネルラもわざと先生の質問に沈黙を守り、先生やクラスメートからは彼のような優等生さえわからないのだと誤解されてしまった。 　　銀河祭の日、ジョバンニは道で同級生のザネリにからかわれた。ザネリはその後、クラスメートを呼び集めて川辺へ向かい、夜の銀河祭灯籠流し大会に参加しようとした。しかしジョバンニは参加できなかった。家に帰って母親の世話をしなければならなかったからだ。 　　ついに、彼は疲れ果てて倒れてしまった。そこで彼は丘の頂上に横になって休んだ。どれくらい時間が経ったかわからないうちに、彼は突然奇妙な音を聞き、目を開けると、自分がカムパネルラと一緒に星々の中の銀河軌道を走る列車に乗っていることに気づいた。途中、彼らは信じられないほど美しく奇異な光景を目にし、白い砂と水晶の中で化石を発掘する多くの人々や、白鷺を捕まえてそれでお菓子を作る人々も見た。すべてがまるで夢のように不思議だった…… 　　彼らはまた、二人の子供と一人の若い教師に出会った。彼らの会話から、ジョバンニは彼らがさきほど氷山に衝突して沈没した船に乗っていたことを知り、だから今この列車に乗っているのだと悟った。それは、この列車の乗客の正体が実は尋常ではないことをほのめかしていた。列車が南十字星駅に到着すると、他の乗客は皆降りてしまい、車内にはジョバンニとカムパネルラだけが残った。二人の親友は永遠に離れないことを誓い合った。しかし、列車が石炭袋星雲駅に着いたとき、ジョバンニはカムパネルラがもういないことに気づき、彼は消え去ってしまっていた。 　　その時、ジョバンニは目を覚ました。彼は町へ行き、人々が橋の上に集まっているのを見て、ザネリが誤って舟から川に落ち、カムパネルラが彼を救おうと川に飛び込んだことを知った。結果、ザネリは無事に救われたが、カムパネルラは不幸にも二度と浮かび上がってこなかった。いわゆる「銀河鉄道」とは、死者の魂を天国へ導く哀しみの列車だったのだ……