時は流れて2017年、星咲高校に入学したみら。大切な思い出となっていた幼いころの約束を果たすために天文部に入部しようとした彼女だったが、その年から天文部は地質研究会と合併して「地学部」となっていたことを知りショックを受ける。宇宙の側から見れば地球の地面も天体の星も同じだという解釈に納得し、仕方なく地学部の門戸を叩いたみらであったが、そこで一緒に小惑星を見つけるという約束を交わした真中あおと再会する。アオが女の子であることを知って二重の衝撃を受けたみらだが、アオもまたみらとの約束を大切に思っていたことを知る。こうして天文班の先輩である森野真理（モンロー）、地質班の先輩である猪瀬舞（イノ）、桜井美景（桜）らとともに、みらとあおが地学部での活動をスタートするところから物語は始まる。

当初は互いの活動に知識や関心がなく、気風も異なっていた天文班と地質班だが、学校外での実地調査や屋上での天体観測、合宿など、行動を共にしてそれぞれの専門分野を教え合うことで、互いの分野に詳しくなっていく。みらの幼馴染で料理に詳しい鈴矢萌（すず）や、みらの姉で生徒会長を務める木ノ幡みさといったみらの身の回りの人々も、部員とはならないものの、みらを通じて地学部の活動を支援する。小惑星を発見するという、みらやアオのような高校生にとっては雲を掴むような目標も、みらとアオの入部動機を聞きそびれていた顧問の遠藤幸が、学生の頃に高校生に向けた天体発見のワークショップ「きら星チャレンジ」に参加した経験があることを思い出したことがきっかけで、来年度のワークショップに参加するための選抜に合格するという具体的な目標を得る。

やがて季節は巡り、地学部が発行している会報『KiRA KiRA』の出来を巡って対抗意識を持たれていた新聞部を味方へと引き込み、文化祭では前年度に羽目を外しすぎて怒られた天文部と真面目すぎて人が寄りつかなかった地質研究会の出展内容を折衷して取り入れることでまずまずの成功を収めるが、その後は部活動を引退する3年生たちの進学問題や、進級と同時に引っ越しすることが決まったあおの家庭の問題などが影を落とす。あおは引っ越しのことを誰にも打ち明けられずに悩むが、最終的には皆が知恵を出し合い協力し合った結果、大学進学のため実家を出て行くみさの部屋にあおが居候させてもらうことに決まり、みらとあおの同居生活と、地学部の2年目の活動が始まる。

2018年、同居を始めたみらとあおが高校2年生に進級し、進学を危ぶまれながらも大学受験に合格した真理（モンロー）と美景（桜）が去った地学部では、舞（イノ）が2代目部長に就任し、気象学に関心を持つ七海悠（ナナ）と、美景（桜）の妹である桜井千景（チカ）を新入部員に迎える。やや危なっかしい様子を後輩から不安視されつつも、みらとあおは1年間で地学の知識を深めており、小惑星発見という夢の実現に向けて、沖縄県石垣島で行われる「きら星チャレンジ」の書類選抜の合格を目指す。

ふたりで努力を続けた結果、みらは「きら星チャレンジ」の選抜に合格するが、あおは選考漏れとなる。一緒に参加できないことで落ち込むふたりだが、諦められないあおは周囲に迷惑が掛かることを承知の上、旅費を工面して独断で石垣島に乗り込み、熱意に折れた主催から特例で見学者として認められる。3日間の日程で他の参加者とも親密になり、最終的には小惑星を発見してあおの名前をつけるという目標こそ叶わなかったものの、みらは自分たちの手が本物の小惑星に届いたという実感を得て、様々な分野の学問を内包する地学の可能性の広さと、小惑星を見つけるという目標を叶えた先にある自分自身の将来の夢に思いを巡らせる。

主要登場人物たちが所属する、高校のクラブ活動として地球科学全般の雑多な学問を扱う部。物語開始年に天文部の地質研究会の合併によって設立された。萌（すず）からは「ごちゃ混ぜは地学部の売り」と評されている。先輩後輩分け隔てなくニックネームで呼び合う間柄で、劇中ではあまり本名で呼ばれない。物語のテーマ上、登場人物全員に将来の夢や目標が設定されており、それぞれの夢に向き合うサブプロットが用意されている。

木ノ幡 みら（このはた みら） / みら

声 - 高柳知葉
ふたりの主人公の片割れ。天文班の1年生（劇中1年目）。小さいころにあおと出会って一緒に小惑星を見つける約束をし、それ以来あおの影響を受けて天文学に興味を持つようになる。天真爛漫で、深く考えずに行動する性格。地学部のムードメーカー的な存在だが、お調子者で、思ったことを無邪気に口にして厳しいツッコミを入れてしまう傾向がある。絵を描くのが得意。自作の恋愛漫画を描いたこともあり、そこにはあおをモデルとした人物が登場している。他人にニックネームをつけるのが得意で、合併当初は互いに堅苦しく姓や役職で呼び合っていた部員たちも、親しみを込めて彼女が発案したニックネームで呼び合うことになる。
物語開始時点から「小惑星を見つける」という明確な夢や目標を持っているものの、それ自体は「将来なりたい自分」ではなく、夢が叶った後のビジョンがないということに直面するようになり、次第にその先にある本当の将来の夢について思いを巡らせるようになる。
2代目地学部副部長、3代目地学部部長。
身長155センチメートル。6月13日生まれ。ふたご座（双児宮）。コーヒーの好みは激甘。

真中 あお（まなか あお） / あお

声 - 山口愛
ふたりの主人公の片割れ。天文班の1年生（劇中1年目）。口数が少ないおとなしい性格の女の子。過去にみらと小惑星を見つける約束を交わした本人。名前と短髪のせいでみらと初めて会った時には男の子だと勘違いされていた。みらのことを忘れないようカバンにクジラのマスコットをつけている。かつてはおしゃべりな性格であったが小学生時代に恥ずかしい言い間違いを笑われた経験から話すのが苦手になった。そのため周囲にはクールなように見られているが、みらのことを思うと笑顔になる。
2代目地学部会計、3代目地学部副部長。劇中2年目では転居する両親の元を離れてみらと同居することとなり、2年生からは同じクラスになる。
両親の仕事の転勤の都合で転校させられそうになるが、みさが卒業後に大学入学で下宿生活することが決まったのでみさの空き部屋に入居し、木ノ幡家でみらと同居し始める。
「きら星チャレンジ」では、石垣へ赴くみらと遠藤を追いかけるように単独で乗り込んだ。本人曰く、桜やモンローに協力してもらい、航空券の手配をしたとの事。
志望進路は大学で本格的に天文学を学ぶこと。
身長158センチメートル。5月25日生まれ。ふたご座（双児宮）。コーヒーの好みはブラック。

猪瀬 舞（いのせ まい） / イノ

声 - 指出毬亜
地質班の2年生（劇中1年目）。人懐っこい性格。元々は地学より地理学が関心の対象であったが、地質研の部室前で美景（桜）に地質図を紹介されたのをきっかけに関連分野としての興味から入部し、以来美景（桜）のことを慕っている。たまに地図を見ながら飛び地や暗渠といった場所を探検しているが、夢中になるあまり目的地に到着する前に迷子になることもある。地理学への興味は部活動の一環ではなく個人的な趣味と捉えているものの、地図の話題になると話が止まらなくなる。みらによるあだ名はイノ先輩（イノちゃん）。初代地学部会計、2代目地学部部長。
写真を撮るのが下手で、撮った写真がことごとく手ぶれになってしまうことが悩み。「自分だけの地図を作る」という個人的な夢を持つ。部長就任以降は、部長としての自覚から国際地学オリンピックに挑戦するという目標を抱く。
著者のQuroによれば、登場人物の中でも読者からの人気が高いとされる。
身長145センチメートル。9月12日生まれ。おとめ座（処女宮）。

桜井 美景（さくらい みかげ） / 桜（さくら）

声 - 東山奈央
地質班の3年生で（劇中1年目）、地学部の初代副部長。地質学が好きで知識も豊富なのだが、不器用なため空回りすることも多い。気になる石を見つけると観察したくなる。おっとりとした真理（モンロー）とは対照的に真面目で、勝ち気な性格であるため、少々きつい言い方をすることも多い。ただし妹の千景（チカ）からは後に、家庭ではいつも地学部員の皆を「とても楽しくて良いメンバー」と評して話題にしていたことを暴露されている。いわゆるツンデレ。みらによるあだ名は桜先輩。
自分の将来の夢や目標に明確なビジョンを描けずにいるという悩みを抱える。物事に対して否定から入って諦める傾向があり、挑戦を恐れない人々のことをまぶしく感じている。
文化祭を機に副部長を引退した後、妹の千景（チカ）と入れ違いに星咲高校を卒業して進学する。
身長160センチメートル。7月20日生まれ。かに座（巨蟹宮）。

森野 真理（もりの まり） / モンロー

声 - 上坂すみれ
天文班の3年生で（劇中1年目）、地学部の初代部長。基本的におっとりとした性格をしている。合併前の天文部ではバニーガールのコスプレで文化祭の客引きをしていた。部長として部員達をまとめる立場にあり、本人もそれにやりがいを感じている。みらによるあだ名はモンロー先輩で、名前と左頬のほくろと豊満な胸がマリリン・モンローを連想させるためと言及されている。
将来の夢は宇宙飛行士。文化祭を機に部長を引退した後、星咲高校を卒業して進学する。受験時には美景（桜）と同じ大学を受験するものの推薦入試で失敗し、その後一般入試で合格するまで部員から心配されていた。彼女の高校卒業とその内面を描いた第3巻第30話（テレビアニメ版第9話）では、地学部結成当時は部活動に対して冷めており内申点が目当てで部長を引き受けたものの、夢や目標に邁進する部員たちに触発されて一歩引いた立場から部の運営に励むようになり、しかし自分が心から部活を楽しめているのか分からない、という悩みを抱いていたことが明かされている。しかし卒業時に部員たちから渡されたアルバムの中では笑顔でいる自分の姿を見て、心配が杞憂であったことに安堵して地学部を去る。
身長162センチメートル。2月19日生まれ。みずがめ座（宝瓶宮）。

鈴矢 萌（すずや もえ） / すず

声 - 上田麗奈
みらの幼馴染で、劇中1年目では同級生。パン屋「スズヤベーカリー」の看板娘で、家業の手伝いが忙しいため地学部には入部していない。家業の手伝いをしている時には常連客からモエモエという愛称で呼ばれているが、本人は嫌だったためみらにすずというあだ名をつけてもらった。
みらのことを気にかけ、彼女に悪い虫（男）がつかないよう気になる人物は常にチェックしているが、女の子同士が仲良くしている様子を見るのは好き。地学部の部員ではないものの、家業であるパン屋の出前として差し入れをしたり、校外での活動や遊びに同行したり、文化祭の出店に全面協力したりするなどして、地学部に入り浸っている。趣味と称して地学部部員をはじめとする女の子たちの詳細な個人情報を集めており、その過程で地学にも詳しくなったり、リサーチ能力を新聞部に評価されたりしている。
みらの姉であるみさに憧れており、彼女を前にすると態度が変わる。普段はお調子者のように振る舞っているものの、素直な本心は他人に見せないという一面を持っており、特にみさに対しては冗談めかさないと伝えられない好意を秘めている。
劇中1年目はみさを真似て髪を長く伸ばしていたが、劇中2年目から後ろ髪を肩の長さでばっさりと切ってイメージチェンジする。2年生ではみらと別のクラスになる。
165センチメートル。10月2日生まれ。てんびん座（天秤宮）。

遠藤 幸（えんどう ゆき）

声 - Lynn
地学部の顧問。天文部と地質研究会が地学部に合併される前も双方の顧問を兼任していた。部員達にバーベキューや合宿などを企画している。根は真面目なのだが、教師になりたてのころは悩みが多くかなり荒れていたらしい。劇中の約10年前の2007年に、高校生向けの新天体発見プログラム「きら星チャレンジ」に参加した経験がある。高校生の頃は真面目で表情が固い印象の少女だった。
身長165センチメートル。8月10日生まれ。しし座（獅子宮）。

七海 悠（ななみ ゆう） / ナナ

声 - 諸星すみれ
原作では劇中2年目の第3巻第32話（テレビアニメ版第9話）より千景（チカ）と共に地学部の新入部員として登場。1年生（劇中2年目）。真面目な性格で、入部の3年前（2015年）の水害で伯母の家が被災し復旧を手伝った経験から、気象学で人々の役に立つという使命感を持つ。みらによるあだ名はナナ。当初は先輩のみらを頼りなく思っており、地学部のゆるい雰囲気に対して「問題意識や義務感が足りない」という先入観から批判的な想いを抱いていたものの、みらとあおが小惑星を発見するという目標を本気で追っていることを知って翻意し、千景（チカ）を巻き込んで先輩たちに協力するようになる。弟が二人いる。
劇中1年目の星咲高校文化祭で地学部の展示を見に来ていたという原作での言及を反映し、テレビアニメ版では第6話から登場しているほか、第1話から千景（チカ）と共にエンディングの映像に登場している。
3代目地学部会計。
身長160センチメートル。1月2日やぎ座（磨羯宮）生まれ。

桜井 千景（さくらい ちかげ） / チカ

声 - 小原好美
原作単行本では第3巻プロローグから登場。美景（桜）の妹。劇中2年目の第3巻第32話（テレビアニメ版第9話）より悠（ナナ）と共に地学部の新入部員となる1年生。オカルトに詳しく、パワーストーンや占いに興味を持つ。特技は水晶を使ったジオマンシー（土占い）。みらによるあだ名はチカ。彼女と入れ替わりに地学部OGとなった姉の美景（桜）や真理（モンロー）とは連絡を取り合える関係にある。
テレビアニメ版では第6話から登場し、劇中1年目の星咲高校文化祭で姉の様子を見守る場面が描かれているほか、舞（イノ）が参加した2017年の地学オリンピック予選にも参加していたという設定になっている。また、第1話から悠（ナナ）と共にエンディングの映像に登場している。
155センチメートル。5月10日おうし座（金牛宮）生まれ 。

原作第2巻第17話（テレビアニメ版第5話）から登場。地学部の上の階の真上の部屋に部室を構える部。原作では姓で呼ばれており、単行本第2巻の人物紹介でも名が明かされていなかったが、テレビアニメ版のエンドクレジットでフルネームが明かされた。

伊部 小百合（いべ さゆり） / イヴ

声 - 古賀葵
新聞部の2年生（劇中1年目）。男性のような口調で話す。周囲にはイヴという愛称で呼ぶことを強要しており本名で呼ばれると怒る。裕福な家庭に生まれるも、刺激の少ない生活に嫌気がさし、新聞部に入部した。人脈の広さが自慢で、学校内のゴシップ記事を精力的に執筆しているものの、そのうち8割は顧問の指導により没にされている。
劇中1年目では舞（イノ）の同級生で、舞（イノ）の主観では一方的に仲良しの友達として認定されているものの、当初は地学部に強いライバル意識を持っていた。その後結局舞（イノ）のペースに丸め込まれ、便利な協力者として使われている。
11月11日生まれ(さそり座（天蝎宮）)。身長145cm。

宇佐美 綾乃（うさみ あやの）

声 - 中島愛
新聞部の1年生（劇中1年目）。劇中1年目ではあおと同級生。マイペースな性格で語尾に「〜」と間延びした話し方をする。元は小説家を目指していて、文学部に入ろうとしたが部員とそりが合わず、新聞部に入部した。いつも伊部（イヴ）と行動を共にしている。
4月12日生まれ、おひつじ座（白羊宮）。身長160cm。

原作第2巻第19話、第21話（テレビアニメ版第6話）に登場。新聞部の宇佐美に担がれて（伊部いわく「ハニートラップ」）、文化祭の準備で天文部地学班のボーリング調査に労働力を提供する。原作では部員たちの名前が明かされていなかったものの、テレビアニメ版のエンドクレジットではマネージャーと男子生徒2人の名前が設定されている。

晴野 陽鞠

声 - 早瀬莉花
野球部のマネージャーをしている女子生徒で、美景（桜）の同級生。美景（桜）の部活動の様子を見るまでは、彼女のことを「謎多きクールキャラ」と評していた。地学部の活動を「よく分かんないけど面白い」と理解を示したことで、同級生にはどうせ理解してもらえないだろうという美景（桜）の思い込みを変えるきっかけになる。文化祭ではボーリング調査に協力した野球部の男子部員2人を伴い、地学部の展示を見に来ている。

幸の同僚。

新屋 硝子（あらや しょうこ）

声 - 諏訪彩花
原作第2巻第18話、第19話、第26話（テレビアニメ版第5話、第6話、第8話）に端役として登場。家庭科教師で、地学部の文化祭の出展内用を検討する際に、寒天と食紅と家庭科室の使用許可を提供し、それを発端とした地学部地質班によるボーリング調査の様子を幸とともに見守る。地学部のクリスマス忘年会ではキムチ鍋を煮るための電磁調理器を貸し出しする。
劇中での登場場面は少なく、無口で、姓を呼ばれて相づちを打つだけの台詞しかないが、テレビアニメ版ではフルネームが設定されている。

原作では、登場人物の父母、祖父母などには名前が設定されていなかったものの、テレビアニメ版では登場エピソードのエンドクレジットでフルネームを確認することができる。

みらとあおの家族

後にあおの住み込み先にもなるみらの家族と、あおの家族。

木ノ幡 みさ（このはた みさ）

声 - 渕上舞
原作単行本では第1巻プロローグから登場（テレビアニメ版では第1話から登場）。生徒会長で、みらの2歳年上の姉。学校では才女として知られており、みらとの姉妹関係を知った美景（桜）がそのギャップからみらに疑いの目を向けたほど。ただし家庭内では運動や家事が苦手といった弱みや、素数を数えるのが好きなどの奇行も見せている。みらからのプレゼント（河原で拾ったハチマキ石）を飾るための神棚を作ったり、地学部の会報を宣伝したりとかなりの妹思いである。みらからはお姉ちゃん、萌（すず）とあおからはみさ姉（みさ姉さん）と呼ばれる。
劇中2年目で大学進学のために親元を離れるが、その際に両親の転居の問題で困っていたあおに自室を貸すことを発案し、みらとあおの離別を阻止する役を担う。
身長160センチメートル。12月2日生まれ。いて座（人馬宮）。
自室に神棚を設置しており、大学進学で退去し部屋を譲ったあおに毎日のお供えの水の管理を依頼している。

木ノ幡 夕子（このはた ゆうこ）

声 - 西村ちなみ
原作第2巻第21話（テレビアニメ版第6話）から登場。木ノ幡姉妹の母親。夫と共に文化祭で地学部の出展を見に現れる。このときにあおの母親（詩織）と知り合い連絡先を交換する。引っ越し問題に困っていたあおを木ノ幡家に居候させたいというみら、みさの申し出を「子供の夢は応援したい」として受け入れ、話し合い応じる。

木ノ幡 旭（このはた あきら）

声 - 堀総士郎
原作第2巻第21話（テレビアニメ版第6話）に登場。木ノ幡姉妹の父親。妻とふたりで文化祭を見に来る。

真中 詩織（まなか しおり）

声 - 川澄綾子
原作第1巻第2話から登場（テレビアニメ版では第1話から登場）。あおの母親。眼鏡をかけており、とても落ち着いている女性。テレビアニメ版ではサイエンスイラストレーターの仕事をしているという設定。
文化祭で星咲高校を訪れるまでは、あおの部活動の内容についてはあまり詳しく聞かされていなかった。夫（あおの父親）の転勤にあおを連れて行くつもりであったため、あおを悩ませるが、最終的にはあおを木ノ幡家に下宿させることに同意し、劇中2年目からはあおと別居する。

スズヤベーカリー

萌（すず）の家族たち。

鈴矢 芽（すずや めぐ）

声 - 依田菜津
原作第2巻第16話から登場（テレビアニメ版では第3話から登場）。中学3年生（劇中1年目）。萌（すず）の妹。ボーイッシュで姉よりも長身。語尾に「ッス」と付けて話し、姉の事は「お姉」と呼んでいる。中学校の部活動で忙しく、その分家業を手伝えずに姉に負担をかけていることに引け目を感じ、多忙な姉のことを気遣っている。
劇中2年目より星咲高校に進学する。
3月14日生まれ。うお座（双魚宮）。身長168cm。

鈴矢 花（すずや はな）

声 - 篠原恵美
原作第2巻第16話に登場（テレビアニメ版では第3話に登場）。鈴矢姉妹の母親。夏休みの臨時アルバイトとして、みらとあおをスズヤベーカリーで雇う。
登場場面はわずかだが、店が繁盛していることが劇中で繰り返し語られている。

その他の家族

遠藤 昇（えんどう のぼる）

声 - 楠見尚巳
原作第1巻第11話から第13話にかけて（テレビアニメ版第4話）、およびテレビアニメ版第11話に登場。幸の祖父。農家であり、JAの帽子を手書きでJAXAにしてしまうほどの宇宙好きで、お茶目な性格。地学部が合宿に訪れた際には温かく迎えてくれた。

遠藤 高子（えんどう たかこ）

声 - 平ますみ
原作第1巻第11話から第13話にかけて（テレビアニメ版第4話）、およびテレビアニメ版第11話に登場。幸の祖母。

森野 夏江

声 - 鈴木れい子
原作第2巻第20話（テレビアニメ版第6話）の回想に登場。真理（モンロー）の祖母。月の土地を購入しており、そこに自分の墓を立てるのが夢。そのことを幼い頃の真理（モンロー）に話したことが、真理（モンロー）が天文学に興味を抱くきっかけとなる。なお劇中でそのことに言及された時点では健在。

主要登場人物らが通う高校には星咲高校（ほしざきこうこう）という学校名がつけられている。テレビアニメ版では、最寄り駅として星咲駅（ほしざきえき）という駅名の駅が登場している。

劇中では登場人物が住んでいる具体的な地域のモデルは曖昧にされており、読み取れる形で街区表示板が描写されている場面でも、描かれているのは架空の地名である。ただし、劇中における主要登場人物たちの日常的な行動範囲に登場する店や商店街は、埼玉県川越市や茨城県にある実在の店舗などをモチーフにしているといわれる。

本作の主要な舞台となる星咲高校地学部の部室は、学校の裏手の奥にある、すきま風の入る古びた文化部棟の1階に所在し、文化部棟の隣にはトイレの建物が立っている。2階の地学部の真上の位置には新聞部の部室がある。なお文化部棟の外観は原作とテレビアニメ版で異なる。

前年度（2016年度）までは天文部と地質研究会であった部が合併し、物語開始年（2017年）の4月に設立された。地学部が発足した当時は気風の違いやメンバー間の対立があり、ぎくしゃくしていた名残から、活動分野によって「天文班」「地質班」に班分けがされている。これらの対立は共同活動を敢えて増やしていくことによって次第に解消され、班分けは単なる部員の興味の対象を示すだけのものとなっていくが、そうした発足当初からの共同活動の一環として、地学部では活動内容を紹介する会報『KiRA KiRA』（キラキラ）の発行を続けている。当初は活動内容が分かれていた天文斑と地質班が共同で何かをするというのは木ノ幡みらの提案で、共同活動として会報を発行するという提案は猪瀬舞（イノ）からのもの、会報の誌名は真中あおによる命名。誌名には星も鉱物もキラキラしているという意味が込められている。会報『KiRA KiRA』は妹の活動内容を気にしていた生徒会長の木ノ幡みさによる大々的な宣伝もあり、劇中では充実した内容が生徒から好評を博しているとされ、隣に置かれている校内新聞の読者数が落ち込んだ際には新聞部から対抗意識を持たれていた。

地学部で使っている天体望遠鏡はビクセンのポルタII経緯台とA80Mf鏡筒のセットで、原作ではメーカーロゴや製品名が消されて描かれていものの、テレビアニメ版では鏡筒と架台（鏡筒を支える台）に、判読可能なメーカーロゴや製品名が描き込まれている。なおA80Mfとセットで販売されているポルタIIは、操作が簡単な入門機という位置づけの架台だが、長時間の観測では地球の自転に合わせて縦軸・横軸を手動で微調整し続ける必要がある経緯台式架台のため、劇中では追尾がより簡単な赤道儀式架台や、コンピューターとモーター駆動により自動導入・自動追尾を行う機能のついたものなど、より高価な架台をうらやむ場面もある。

原作第1巻第11話から第13話（テレビアニメ版第4話）、およびテレビアニメ版第11話では、地学部の合宿先として茨城県つくば市に実在する地質標本館（産総研）、筑波宇宙センター（宇宙航空研究開発機構）、地図と測量の科学館（国土地理院）といった施設が実名で登場しており、テレビアニメ版ではこれらの施設が取材協力としてクレジットされている。原作単行本第1巻の巻末ではこれらの施設について、劇中で語りきれなかった内容が取材こぼれ話として掲載されている。

原作第2巻第25話（テレビアニメ版第8話）では、猪瀬舞（イノ）が地学オリンピックの予選を受ける場面があるが、著者のQuroは単行本第2巻あとがきの取材こぼれ話で、原作で予選会場となった大学は各都道府県に複数ある会場のうち、秋田県秋田市にある会場を取材したと明かしている。著者が取材した会場の参加者は5名であったが、別会場の参加者は例年130名程度が参加しているといい、劇中では大勢の参加者が会場にいる描写となっている。なお原作とテレビアニメ版では会場の描写が異なる。

原作第3巻第35話から第37話（テレビアニメ版第11話から最終話）にかけての、小惑星発見の夢を叶えようとする主人公らが沖縄県石垣島を訪れるエピソードでは、実在する天文施設であるVERA石垣島観測局、石垣島天文台が実名で登場する。劇中でみら、あおが参加する「きら星チャレンジ」光学班のメンバーは石垣島天文台のむりかぶし望遠鏡を使用している。続く第38話（『まんがタイムきららキャラット』2020年4月号掲載）では離島巡りとして、西表島、由布島、竹富島各島の観光名所や、石垣島鍾乳洞、川平湾を訪れるエピソードが描かれている。なお、主人公らは原作でも旅客機で石垣島に到着する描写になっているが、テレビアニメ版第10話では南ぬ島石垣空港（新石垣空港）が実名で登場しており、取材協力としてクレジットされている。

原作者のQuroによれば、『まんがタイムきららキャラット』2017年7月号掲載の第5話の時点で既にアニメ化の打診があったとされる。第27話を掲載した2019年2月27日発売の『きららキャラット』2019年4月号でアニメ化が発表された際には、連載開始からアニメ化までの早さが意外性を持って受け止められた。

KADOKAWAプロデューサーの山下愼平は、天体写真を趣味にして「星ナビ」や「天文ガイド」に常連で投稿するほどの熱心な天文ファンでもあったことから、連載第1話の時点から天文・地学を題材にした本作に注目していたとしており、アニメ化したい願望を持ちながらヒットが出にくいジャンルであったことから及び腰で居たところ『きららキャラット』2018年2月号掲載の第13話で主要登場人物たちが将来の夢を語り合う場面で桜井美景（桜）が森野真理（モンロー）に対して発した「自分の夢を遠慮なんてしないで」という言葉に背中を押され、企画を動画工房に持ち込んだと語っている。

監督の平牧大輔、シリーズ構成の山田由香、アニメーション制作の動画工房など、2019年1月から3月まで放送されたテレビアニメ『私に天使が舞い降りた！』のスタッフが再集結している。本作の第1話のエンドカードには、『私に天使が舞い降りた！』の原作者である椋木ななつがイラストを寄せている。

制作協力としてアストロアーツ/星ナビ、ビクセン、国立天文台が参加しているほか、資料協力として原作にも登場した産業技術総合研究所地質調査総合センター・地質標本館、国土交通省国土地理院、誠文堂新光社、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が協力しており、原作ではぼかされていた製品名や書籍名の一部も実在の事物に置き換えられている。

テレビアニメ版は原作単行本が既刊2巻時点で放送開始され、最終話となる第12話において連載中の原作最新話であった『きららキャラット』2020年4月号掲載の第38話に追いつく形で終了し、テレビアニメ版最終話の放送日翌日に発売された『きららキャラット』2020年5月号で、テレビアニメ版最終話の続きに相当する内容が掲載された。テレビアニメ版では、原作者のQuroがシリーズ構成の段階から協力した上で全てのシナリオ会議に出席しており、放送中に刊行された単行本第3巻以降の内容も原作をなぞったものとなっている。原作から時系列の若干の変更や省略、テレビアニメ版で付け足された内容の補完もあるものの、物語の開始は原作同様に2017年のできごとであると設定されており、劇中に登場する雑誌も2017年に出版された実在の雑誌の表紙が使われている。

一方、テレビアニメ版は原作よりもコミカルさが抑えられ、星を観ながら落ち着いた雰囲気で観るような、子供や、アニメファン以外の幅広い層でも観られ、見返すたびに発見があり何度も見られるような作風が意図されている。原作は難解な題材を扱いつつも4コマ漫画としてのオチと大袈裟なギャグで笑いを取る作風が持ち味となっているが、それをそのままアニメで再現した場合、笑いを取る場面のたびに流れが中断されてしまうという判断から、テレビアニメ版では演出面の工夫によって見せ方を変え、しっとりとした成長ドラマとしての体裁へとアレンジすることを試みている。具体的には、登場人物の想像が前触れもなく画面内に出現するような漫画的演出が避けられており、地学分野の説明などで図示が必要な場合は登場人物の手で紙に書かせるなど、その場に実存するもので説明させる演出が用いられている。本編がリアル寄りになったのに対し、原作のコメディ要素はミニアニメ『KiraKira増刊号！』の作風へと反映された。

テレビアニメ版ではエンディング映像の時点で原作の劇中2年目より登場する七海悠（ナナ）と桜井千景（チカ）が登場しており、第6話の文化祭では地学部の展示を見に来ていたという原作での言及を反映し展示を見に来た客として登場している。第11話では、石垣島に旅立った主人公ふたりを見送った地学部員と卒業生たちが、合宿先のつくば市から石垣島の天候を案じるというオリジナルエピソードが挿入された。

本作ではリアリティを重視して星空や天文機材に関する演出・作画をしており、原作と同様に場面ごとに細かく日時が設定され、星空の表現には純国産の天文シミュレーションソフトウェア「ステラナビゲータ」のデータを使用している。プロデューサーの山下は、劇中には天文ファンや地学ファンが見れば気付くような天文描写や小ネタを数多く込めていると語っている。星空についてはリアリティを重視しつつも映像として美しいものにするために、色味をリアルな見え方に近づけながらもアニメーション特有の処理をしている。望遠鏡の作画では制作協力のビクセンが提供する工業用CADモデルや実物の機材を参考に3Dモデリングや作画を行っている。

作品名のメインタイトルロゴは原作から配色が小改編されており、各所に主要登場人物のイメージカラーを配したものへと変更されている。各話アイキャッチは主要登場人物が扮する黄道十二星座とその誕生石がモチーフになっており、星座のうち最も明るい星が登場人物の誕生石へと置き換えられている。

販売元はKADOKAWA。各巻には特典映像として、原作単行本第1巻あとがきのレポート漫画を実写化した「旅する小惑星」が収録される。

木ノ幡みら役の高柳知葉と真中あお役の山口愛によるWebラジオ『「恋する小惑星」★みらとあおの KiRA KiRADIO◆』が、2020年1月9日から4月2日まで音泉にて隔週木曜に配信された。全7回。

　ゲスト

　・第2回(2020年1月23日) - 指出毬亜

　・第4回(2020年2月22日) - 東山奈央

　・第5回(2020年3月5日) - 上坂すみれ

　・第6回(2020年3月19日) - 上田麗奈