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故事的主人公夏子，是一位活泼直率的女孩，就读于东京的一所大学。她与图书馆工作的朋美相识已有十年之久，两人之间更是一对同性恋情侣。然而，现实生活中的压力使得朋美最终提出了分手，并开始了一段新的感情，与公司白领小林健太走到了一起。这个转变令夏子感到非常失落，她必须重新适应独自生活

夏子的生活与另外一位男性光司有着千丝万缕的联系。光司租住在夏子同一栋房子里，他对夏子有着特殊的感情，但却一直没有勇气向她表白。两人之间的关系更像是亲密的朋友，彼此之间有着深厚的情感却不敢走进爱情的领域。

然而，故事并不止于此。一天，夏子偶然遇到了加奈，一位美丽的女孩。加奈的母亲曾经抛弃了家庭，私奔与同性情人，这让加奈一直怀抱着寻找母亲的愿望。夏子和光司义不容辞地决定帮助加奈找到她失散的母亲，这个任务也让他们之间的关系变得更加复杂和微妙。

与此同时，朋美接受了健太的求婚，她与夏子分道扬镳，每个人都在追寻自己的幸福和真爱。电影《上空女孩》通过这一系列错综复杂的感情关系，深刻地探讨了爱情、友情、家庭和自我认同的话题，引发观众深思。