現実よりも小説の中の恋に夢中な文学少女、百山桃子（新垣結衣）は櫻木高校の2年生。ある日の下校中、暴投が直撃したことがきっかけで野球部のエース・大嶋に一目惚れしてしまう。だが、大嶋は学内のヒーロー。ライバルの数に怖気づく桃子の耳に、唯一の応援団員・龍太郎（永山絢斗）の絶叫が届く。“我々は、どんな困難にも諦めず立ち向かわなければならない！”。桃子はその天の声に従い、大嶋への想いを貫くことを決意する。大嶋を見守るため、廃部寸前の応援団に入部した桃子。部の維持には最低5人が必要と聞いて、団員探しに奔走する。集まったのは、金髪でパンク好きの元吹奏楽部員・譲二（柄本時生）、音痴な元合唱部員・晃（染谷将太）、軟派な元ウェイトリフティング部員・泰平（斉藤嘉樹）。そして、桃子は満場一致で団長に任命される。強豪・不知火学園との試合当日。意気込む桃子の思いとは反対に、散々な応援で好投する大嶋の足を引っ張ってしまう。惨敗にふさぎこむ桃子と龍太郎。そんな二人に、大嶋が不知火学園へ転校するというニュースが追い討ちをかける。すっかりやる気をなくした桃子たちの前に、OBの柳原源蔵（内藤剛志）が現れ、応援団伝統の合宿に連れ出す。軽い気持ちで参加したものの、想像を超えた猛特訓に音をあげる団員たち。だが、次第に彼らは柳原たちの想いを受け止めてゆく。そして迎えた合宿最終日。桃子たちは一致団結して、大団旗を掲げて険しい山道を練り歩く“団旗行軍（だんきこうぐん）”を成し遂げ、団員たちの中で何かが変わる。学校に戻った桃子は、学ランに身を包み、応援の精神を校内に広めようとするが、生徒たちの対応は冷ややか。“想いが通じれば奇跡は起きる”という決意のもと、毅然とふるまう桃子。そして、遂に甲子園予選が始まる。果たして、桃子率いる“へなちょこ応援団”は奇跡を起こすことができるのか？そして、桃子の恋の行方は……？