绀野真琴是高中二年级的学生，爱好体育运动的她不喜欢和女孩子交往，因为绀野真琴觉得和女孩子在一起好麻烦，于是她选择与自己的好友马津田工介和间宫千昭一起活跃在棒球的世界里。
无意中，真琴在做化学实验的时候竟然拥有了可以回到“过去”的超能力，不明就里的真琴觉得自己的生活将有所改变，于是她把自己的经历讲述给姑妈听，在姑妈芳山合子的引导下，真琴逐渐认清了超能力的意义，她变得和以前一样快乐。
真琴还想过，自己拥有这种超能力是非常奇妙的事情，她可以让时光回到过去，这样她就可以更多的保留美好的东西，将不好的东西通通抛弃，当然，超能力带给真琴的最有效成绩就是她的成绩突然之间一跃而上，这是全校师生都感到奇怪的事情，但谁都不明白个中原委。
不知不觉，真琴步入了高三生活，在天长日久的相处中，真琴和工介、千昭之间的关系逐渐改变，首先是千昭想真琴表白了自己的感情，这让真琴伤透了脑筋，无奈，真琴使用超能力，让自己和千昭选择了遗忘，忘却了这段感情的千昭随后和果穗交往，这时真琴发现往来于时空隧道好累，她忽然觉得自己……

《穿越时空的少女》根据著名作家筒井康隆的同名作品改编，同时这也是筒井康隆的作品首次被作为动画电影搬上了荧屏。《穿越时空的少女》曾经获得了很多奖项，并多次被搬上荧屏，电影、电视剧，这次经过改变动画影片特聘请了人气漫画家贞本义行担任登场人物设定，并于2005年暑期正式上映。
《穿越时空的少女》上映后获得了极高的票房，仅36天就突破了一亿日元的收入。据调查现实，《穿越时空的少女》曾获得了2005“最令人满意”“最吸引人之预告片”的荣誉。影片在日本东京取景，无论是纵横的街道，还是高耸的摩天大楼，都采用客观写实的手法，特别是美术导演山本二三的全心投入与努力，使影片极富美感。奥寺佐渡子（凭《学校怪谈》获得最佳编剧奖）的剧本修改也为影片增色不少，奥寺佐渡子还表示，由于这是他首次参与动画制作，所以投入了全部的精力，希望能得到观众的认可。与此同时，剧组还发售了《穿越时空的少女》单行本，并在其中增加制作花絮、访谈等内容，精采绝伦，同时又大赚了一笔。
《穿越时空的少女》还受到了西班牙锡切斯(Sitges)国际电影节的邀请，并获得了长篇动画奖，与其一起的搭配提名的影片还有《银发的阿基多》、《红辣椒》、《立食师列传》、《死者之书》和《Blood Tea and Red Strings》。

《穿越时空的少女》是一个发生在可以随意改变时间的少女身上的故事。与以往的电影最大的区别是，该影片的主人公发生了变化，以17岁的少女绀野真琴作为主人公。在该片上映时曾发生了奇怪的现象，那就是排队等候入场的人中有很多是忙碌的上班族，同时40-50岁之间的人也非常多，这在动画影史上是一个非常奇怪的现象，究其原因，可见筒井康隆的作品影响力之深。
该片导演细田守是日本著名的实力派导演，他表示《穿越时空的少女》是他初中阅读的一部作品，一直让他记忆如新，此外，影片的配音演员也非常出色。《穿越时空的少女》在公映前由制作方举行了一场别开声色的披露试映会，这场发布会在日本东京举行，为剧中主要人物配音的16岁的仲里依纱和28岁的原沙知绘出席了发布会。
在发布会上，仲里依纱表示她的名字是祖父给取的，但可惜的是因为祖父过早的离开人世，她从未见过祖父，她还说如果她能像剧中的少女绀野真琴一样拥有穿越时空的能力，她一定回到过去，好好对祖父诉说自己的心事。声优仲里依纱的心声更告诉我们，寸金难买寸光阴，我们应该珍视现在，以免老大徒伤悲！