Koji, jeune étudiant photographe, accepte un jour la commande d’un client qui lui demande d’espionner son amie. Cette mission va bouleverser la vie de Koji et changer son rapport avec les femmes, notamment celles qui lui sont proches : Miyu, son amie d’enfance et confidente et Misaki, la fille de sa belle-mère.
Tokyo Sonata dresse le portrait d'une famille japonaise ordinaire. Le père, licencié sans préavis, le cache à sa famille. Le fils ainé est de plus en plus absent. Le plus jeune prend des leçons de piano en secret. Et la mère, impuissante, ne peut que constater qu’une faille invisible est en train de détruire sa famille.
