Sputnik-rakastettuni on eräänlainen kolmiodraama. Kertoja, K, joka on opettaja, on rakastunut opiskelutoveriinsa Sumireen. Sumiren rakkauden kohde on puolestaan salaperäinen nainen nimeltä Miu.

Naiset lähtevät yhdessä matkalle ja päätyvät lopulta saarelle Kreikan rannikolle. Siellä Sumire katoaa jättäen jälkeensä vain haipuvia vihjeitä kohtalostaan. K osallistuu hänen etsintäänsä. Oudot, aavemaiset näyt johtavat hänet takaisin Japaniin, missä hän oppii vihdoin ymmärtämään Sputnik-rakastettuaan.