Anime Air bercerita tentang Kunisaki Yukito, seorang pengembara yang menjalani kehidupan yang sederhana. Dia memiliki kemampuan khusus untuk menggerakkan boneka kecil tanpa menggunakan tali, yang digunakannya untuk mencari nafkah dengan menampilkan pertunjukan di berbagai tempat. Yukito juga memiliki misi pribadi: mencari seorang gadis bersayap yang muncul dalam cerita rakyat yang diturunkan dari ibunya, yang percaya bahwa gadis itu masih ada di suatu tempat di dunia ini.
Perjalanan Yukito membawanya ke sebuah kota kecil di tepi laut, di mana ia bertemu dengan seorang gadis ceria bernama Kamio Misuzu. Misuzu mengundangnya untuk tinggal di rumahnya, di mana dia tinggal bersama ibunya, Haruko. Meskipun awalnya ragu, Yukito akhirnya menerima tawaran Misuzu dan mulai tinggal bersama mereka.
Seiring waktu, Yukito mulai mengenal lebih banyak tentang kehidupan Misuzu, yang sering kali tampak kesepian dan memiliki masalah kesehatan yang misterius. Dia juga bertemu dengan penduduk kota lainnya, seperti Kano Kirishima, seorang gadis yang percaya bahwa dia dirasuki roh, dan Tohno Minagi, seorang siswa yang pendiam dan cerdas.
Namun, semakin Yukito terlibat dalam kehidupan Misuzu, semakin dia menyadari bahwa gadis ini mungkin memiliki hubungan dengan gadis bersayap yang dicarinya. Ketika kenyataan dan mimpi mulai bercampur, Yukito menyadari bahwa nasib Misuzu mungkin terkait erat dengan misinya dan bahwa masa lalu yang terlupakan akan segera terungkap, membawa kebenaran yang pahit dan menyakitkan.
