時は昭和の初め。母に捨てられながらも懸命に生きる薄幸の少女時子は、誤って軽便を止めてしまう。しかし、あまり咎めもせずむしろ援助の手を差し出す駅員たちの優しさに触れ、意固地な時子はしだいに心を開いてゆく。そんなある日、大きな落石が軽便の線路をふさいでしまった。それを発見した駅員伊藤と時子は、急いで軽便に知らせようとするが、伊藤は続く落石に会いケガをしてしまい、代わりに時子が軽便を止めに走った。伊藤は急停車の音を聞きながら気を失った。

　気がつくと伊藤は時子と不思議な列車に乗っていた。銀河鉄道だ。奇妙な乗客や黒マントの男らと出会い神秘な世界を旅する二人。やがて列車は終点に近づき暗黒のトンネルに入ってしまう。

　再び気がつくと伊藤は病院のベッドの中にいた。現実の世界に戻ったのだ。駅長から時子が落石による事故を防ぐため、自ら機関車に飛び込んだことを知らされ、伊藤は嘆きながら銀河の星となった時子の名を呼ぶ。