撮影は大まかに分けると、スキー場（上越国際）、スタジオ、尾道という順番で行われた。ポスターの撮影は東京の日本大学鶴ヶ丘高等学校の生物室を使用し、撮影を見学した同校の高校生達は試写会の招待状を貰った。本編中に映る桜は実際のロケ時にはまだ開花しておらず、登校シーンなど多くのカットはマット合成と散る花びらを用いることによって表現している。大林は古典的なたたずまいを持つ原田に「竹久夢二の絵のような、現実にはいない少女」をやってもらおうと考え、ヘアメイク担当者には中原淳一の絵のイメージを伝えた。あえて時代錯誤の演技指導を行い、カメラを正面から見つめさせ、カメラの向こうにいる自分の目を見て台詞を言うように指導した。今どきの猫背っぽい動きにならないよう、「ハンガーを入れているようにして歩きなさい」と教えると、原田は「窮屈です。木彫の人形のようです」と言ったという。角川と大林は本作1本を原田にプレゼントして映画界から辞めさせようと考えていたため、原田の中学の卒業から高校の入学までの短期間に強行軍28日間で撮影した。通常1本の映画を撮るのは最低でも35〜40日、メジャーだと2ヶ月はかかる。必然的に徹夜での撮影が増え、長時間の撮影で1日7回食事が出た。原田は「今日は暗いうちに帰れますか」という名言を残している。断崖絶壁で植物（ラベンダー）採集をする深町一夫のところに芳山和子が駆け寄るシーンは、安全な場所での撮影を後ではめ込んだものではなく、本当の断崖絶壁で撮影されたもの。ロケ地は竹原市の黒滝山。崖の下に打ち寄せる波だけは後から合成されたものであるが、それ以外は全て実写。この撮影の際、深町一夫を演じる高柳良一が、隣りの足場に移動したとたん、それまで立っていた足場がまるごと崩落するハプニングが起き、大きな岩が谷底で砕け散った。高柳は「もう俳優なんてやってられない! 平凡なサラリーマンになって、休みの日には妻と子供を連れて焼肉屋に行くような生活をするんだ!」と叫んだ。大林監督がそれを面白がり、『天国にいちばん近い島』で小林稔侍の台詞にそのまま使った。高柳は言葉通り俳優を辞め、今日家族にその約束を果たしているという。クライマックスの断崖からのタイムトラベルはブルーバック合成ではあるが、当初のスタントで撮影を行う予定から変更され、原田本人が1.5メートルの合成素材から飛び降りている。エンディングは実験室で倒れた原田が起き上がり、主題歌「時をかける少女」を歌いながらそれまでの名場面を巡る。この映像は本編の撮影のあとそれぞれのパートで歌う場面を撮影し、それらを編集したもの。原田は「床に倒れていたのに、起き上がって歌い出したり、何をやっているのか分かりませんでした。見物人のいるロケ撮影ではすっごく恥ずかしかった」と話している。出演者は歌う原田を優しく見守ったり、体を揺らしてリズムを取ったり、桜の花びらを花吹雪に見立てて原田にかけたりして、新しいアイドルの誕生を祝う。原田のNGシーンを挟んで、拍手が鳴りやまないカーテンコールの中、神社の境内を下駄を履いた原田が遠くからこちらに駆け寄り、カメラの前ではにかむ。このカットは撮影がほぼ終わった時に撮ったもので、カメラの向こうには共演者やスタッフがおり、大林は「間に合った、学校に戻れるね」と声をかけているという。笑顔の途中で原田はチラッと横を見るが、その時の頼りなげな表情が少年たちの心をつかんだ。大林いわく、「カット」の声がかかったあと、役者が「OKだったかな?」と監督の顔を伺う表情だという。
この物語は、「私」の回想という形式をとる。40年ほど前の1913年6月、フランスのプロヴァンス地方の荒れ果てた高地をあてもなく旅していた若い「私」は、この荒野で一人暮らしをしている寡黙な初老の男に出会う。近くには泉の枯れた廃墟があるだけで人里もないことから男の家に一晩泊めてもらうことになった「私」は、男がドングリを選別しているのに気付く。手伝おうと進言した「私」だったが、男は自分の仕事だからと言って断る。翌日、男がこの地で何をしているのか気になった「私」は、もう1日ここに滞在したいと言うと、男は構わないという。はじめは散歩と称して男の後をついて歩いていた「私」だったが、男から「何もすることがないなら一緒に来ないか」と誘われて、男と連れ立って荒れた丘へ登る。そして男は、前日選別していたドングリを植える。「私」は男に様々な質問をし、男はそれに答える。男の名前がエルゼアール・ブフィエであること、55歳であること、かつては他所で農場を営んでいたこと、一人息子と妻を亡くしたこと、特別にすることもないのでこの荒れた土地を蘇らせようと思い立ったことなど。ここが誰の土地かは知らないが、3年前から種子を植え始め、10万個植えたナラの種子の多数は駄目だったが、1万本ほどは育つ見込みがあるという。ナラ以外の植樹も計画していると話すブフィエと「私」は、その翌日に別れた。翌1914年から第一次世界大戦が始まり、従軍した「私」はブフィエを思い出すこともなかった。5年後に戦争が終結し、わずかな復員手当てを貰った「私」は、澄んだ空気を吸いたいという思いから、再び1913年に訪れた荒野へ足を運ぶ。ブフィエや彼の植樹活動のことを思い出しながら廃墟を過ぎ、かつての荒野に近づいた「私」は、荒野が何かに覆われているのに気付く。ブフィエは変わらず木を植え続けていた。戦争のことなど全く気にせず木を植え続けていたというブフィエの言葉に、「私」は納得する。「私」とブフィエは連れ立って、10年前の1910年に植えられ、荒野を覆うように育ったナラの森を歩く。「私」の背丈より高く成長したナラの木々に、「私」は深い感銘を覚える。ほかにも「私」が従軍していた1915年に植えられたというシラカバの森は、「私」の肩のあたりまで成長していた。1920年以降、「私」は年に1度は必ずブフィエを訪ねるようになる。ブフィエの計画は常に成功したわけではなく、1年がかりで植えたカエデが全滅するなど悲劇に見舞われることもあったが、ブフィエは挫けることなくひとり木を植え続ける。木々の復活はあまりにゆっくりとした変化だったため、周囲の人間はブフィエの活動に気付かず、ときどき訪れる猟師などは森の再生を「自然の悪戯」などと考えていた。また、森林保護官が「自然に復活した森」に驚き、そこに住むブフィエに「森を破壊しないように」と厳命するなどの珍事まで起こる。しかしそういったことも関係なく、ブフィエは木を植え続ける。その後も第二次世界大戦など様々な危機があったが、「私」の友人である政府役人の理解と協力などもあって、森は大きな打撃を受けることはなかった。ブフィエはそれらも気にせず木を植え続け、いつしか森は広大な面積に成長していた。森が再生したことで、かつての廃墟にも水が戻り、新たな若い入植者も現れ、楽しく生活している。しかし彼らはブフィエの存在も、ひとりの男が森を再生したことも知らない。ブフィエは1947年、バノンの養老院で安らかに息を引き取った。