本作は、パッチ適用により、誤字や不具合修正と共に、外伝シナリオ（登場キャラクターを主人公とする短編ノベル）が追加されるようになっている。外伝はPS2版にも収録されており、本編のクリア後に選択できるようになっている。
天文部における重要な活動の一つが「天体観測」である。本作は「天体観測」の要素に力を入れており、天文シミュレーションソフトを用いて作成された星空を表示し、星や星座を眺めながら登場キャラクターによる説明が入るという演出を用いている。また、星空を単に物語の1パートとして見せるだけでなく、プレイヤーは星空のどの部分を見るかを選択できるようになっており、まさしく「星空を能動的に観賞する」という演出となっている。
本作のストーリーラインを選択する方法には、アドベンチャーゲームで一般的な「選択肢による行動選択」以外に、「サイティングモード」という仕組みが設けられている。複数のキャラクターが登場するシーンでは、予告表示の後、サイティングモードに移行する。このモードでは、会話の際に向き合いたいキャラクターを選択することができ、向き合っているキャラクターの好感度を上昇させることができる。この際、向き合っているキャラクターが画面中央に表示され、選択されなかったキャラクターは画面の左右に追いやられる仕組みとなっている。
大まかなストーリーラインは、MAPを用いた行動選択と、選択肢ベースの行動選択によって決定される。さらに「サイティングモード」による行動選択が加わる仕組みとなっている。ストーリーライン選択以外での特徴としては、「天体観測モード」が挙げられる。
架空の現代日本、その古都、「星降る都」とも呼ばれる「星城京」が舞台となっている。現代日本でいうところの京都府の地方都市で、京都市から電車で1時間程度に位置するとされている。主人公たちが通うのは、私立銀星学園。生徒は必ず何らかの部活動に参加しなければいけないため、自然と部活動が盛んなものとなっている。また、主人公の故郷は前作『十六夜れんか』の舞台となった「御恵名」であり、シナリオの展開によっては再訪する機会もある。
主人公の東雲智樹と幼馴染の星見すばるは、先日お互いの気持ちを確かめあった仲。主人公たちの通う私立銀星学園は、何らかの部活動に入らなければいけないという校則があり、主人公とすばるは好奇心から天文部に入部することに。文化系の部活動と甘く見ていたところが、部員や関係者はちょっと変わった人ばかりで、平穏とは全く正反対の日常生活を送ることとなる。そして、訪れる週末ミニ合宿でストーリーは大きく進んでいく。
フランス船籍のサルベージ船、パイパー・マル号は太平洋で作業を行っていた。潜水士のゴーシャーは海底で第二次世界大戦に使用された戦闘機の残骸を発見する。驚くべきことに、そのコックピット内には生存者がいた。彼の目は不気味なほどに黒い。ゴーシャーは何事もなかったかのように帰船するが、彼はすでにブラックオイルに感染していたのである。ワシントンD.C.。スカリーはスキナーから姉のメリッサが殺害された事件に関する捜査が打ち切りになったと伝えられる。証拠が十分にそろっている状況下での捜査打ち切りに対して、スカリーはFBIに対する不信感を募らせていた。そんなスカリーに、モルダーはパイパー・マルの話をする。パイパーマル号がサンディエゴの港に着いたとき、乗組員は被爆していたのだという。2人がパイパー・マル号を捜査すると、ゴーシャーが着用していた潜水服に謎の黒い油が付着していたことが分かる。ゴーシャーが潜水時に撮影したビデオを見た瞬間、スカリーには海底の機体がノースアメリカン P-51 マスタングであると分かった。帰宅したゴーシャーは何かを探していた。そこにゴーシャーの妻、ジョーンがやって来た。ブラックオイルはジョーンに感染して家の外に出てしまった。スカリーは父の旧友であるクリストファー・ヨハンソン中佐の元を訪れ、例の機体についての情報を得ようとした。ヨハンソンは自身がその機体の回収任務に当たっていたことを認めた。任務中、正常な判断ができなくなった指揮官に反乱を起こして何とか生還することができたが、他の乗組員は重篤な火傷を負ってしまった。後の調査で、その火傷は重度の被爆に伴うものだということが判明した。その頃、モルダーはゴーシャーの自宅を訪れていた。家の中でゴーシャーは気絶していた。ゴーシャーには帰船後の記憶が一切なかったのである。しかし、モルダーはサルベージ船を手配した人間の情報を得ることには成功した。そのオフィスに向かったモルダーは秘書を名乗る女性、ジェラルディンに会う。ジェラルディンを怪しんだモルダーが張り込みを行っているとき、オフィスは武装した兵士たちに襲撃された。モルダーは逃げ出したジェラルディンの後を追っていった。モルダーは香港でジェラルディンを捕まえた。観念したジェラルディンは自身が政府の機密情報を扱う売人であることを白状する。モルダーがジェラルディンのオフィスに着いたとき、そこにはアレックス・クライチェックの姿があった。クライチェックもまた情報屋として活動していたのである。またもやオフィスは襲撃され、クライチェックは窓から飛び降り、モルダーは間一髪脱走に成功した。ジェラルディンは射殺されてしまった。襲撃者はオフィスの近くにいたジョーンを捕えようとしたが、その瞬間、謎の光が発生した。その光を浴びた者は大火傷を負っていた。スキナーはレストランで、「メリッサ・スカリーの一件をこれ以上捜査するな」と脅迫される。それを無視したスキナーだったが、後日、ルイス・カーディナルに狙撃される。モルダーは空港でクライチェックに遭遇し、彼に手錠をかけることに成功する。クライチェックは機密情報のテープ（MJファイル）はワシントンD.C.のあるロッカーの中にあり、もし自分を解放してくれるのならそれを譲りたいと申し出た。クライチェックは考えをまとめるためにトイレへ向かったが、そこに潜んでいたジョーンに気絶させられた。トイレから出てきたクライチェックの目は不自然なほどに黒かった。