Chemical Hearts xoay quanh cuộc sống của Trang Henry, một chàng trai 17 tuổi chưa từng biết đến tình yêu. Anh ta luôn mơ tưởng về một cuộc tình lãng mạn, nhưng không bao giờ có cơ hội để trải nghiệm. Tuy nhiên, khi anh gặp Grace Town - một học sinh mới trong ngày đầu tiên của năm cuối cấp, tất cả những gì anh từng mong muốn có thể sẽ thay đổi. Khi Grace và Henry được chọn làm đồng chỉnh sửa bài báo, anh ngay lập tức bị thu hút bởi vẻ ngoài bí ẩn của cô. Khi Henry khám phá ra những bí mật đau lòng đã thay đổi cuộc sống của Grace, anh dần hiểu rằng mình đang yêu cô - hoặc ít nhất là người trong tâm trí anh nghĩ rằng cô là.