영화가 시작하면서 어린 시절의 치카와 어린 시절의 요우가 종이비행기를 날린다. 당시 치카와 요우는 어린 시절의 리코를 만난다. 이후 2기 엔딩 장면으로 이어지면서 누마즈, 나카미세 배경으로 Aqours가 ???을 부른다. 노래가 끝나고 비행기가 날아가면서 러브 라이브! 선샤인!! 더 스쿨 아이돌 무비 오버 더 레인보우 로고가 등장한다.
3학년은 각자의 길을 떠났지만, 나머지 1, 2학년 총 6명이 Aqours를 계속하기로 결정한다. Aqours는 앞으로 라이브를 하기 위해 연습할 장소를 찾기 위해 돌아다니다가 요우가 보이지 않아 요우를 찾는다. 시간이 흘러 요우를 발견하는데 요우가 처음 보는 여학생이랑 대화를 나누고 있었다. 그녀의 이름은 와타나베 츠키로, 우라노호시 여학원이랑 통폐합하는 학교의 학생회장이다. 그녀는 Aqours에게 통폐합하는 우리 학교는 부활동을 엄격하게 하는 편인데, 우라노호시 여학원이랑 통폐합을 하면 분위기가 흐트러지므로 낡은 분교에서 활동하라고 말한다. 이에 Aqours는 우리도 부활동을 열심히 할 수 있다며 라이브를 보여주기로 하지만, 어째선지 실패를 하고 만다.
한편 연습할 장소를 찾는 것도 실패한 Aqours는 결국 해변가에서 연습을 하는데, 이때 Saint Snow를 불러 본인들을 평가해 달라고 부탁한다. 세이라는 연습하는 모습을 보면서 결승에서 보여준 WATER BLUE NEW WORLD의 무대는 100점이라고 하면 지금의 모습은 2~30점밖에 되지 않는다고 혹평하고, 리아는 언니는 이제 없다라고 말하면서 뛰쳐나간다. 이때 갑자기 해변에서 헬리콥터가 등장하고, 거기서 마리의 어머니가 등장한다. 마리의 어머니가 나온 이유는 다름이 아니라 3학년 멤버들이 행방불명이 되었기 때문이었다. 3학년 멤버들이 행방불명된 곳은 바로 이탈리아. 츠키가 이탈리아에서 가이드를 해 주기도 한다. 이탈리아로 1, 2학년 멤버들은 3학년 멤버들을 찾게 되고, 이때 3학년이 부르는 ??? 라이브가 나온다.
마리의 어머니는 스쿨 아이돌은 쓸모가 없는 활동이라고 한다. 스쿨 아이돌이 하찮지 않다고 하자 그러면 라이브로 증명하면 라이브해서 증명해 보이라고 말한다. 그 후 스페인 광장에서 ???를 부르는데, 장소를 고른 1학년에게 이 장소를 고른 이유를 묻자 계단이 누마즈랑 닮았기 때문이라고 한다. 라이브 이후 귀국한 Aqours는 6명이서 어떻게 하지 고민하다가 리아가 Aqours에 들어온다고 이야기하였다. 본인 의사가 아니라 세이라의 의견이었는데, 고등학교에서 친구들이 리아의 레벨이 너무 높다며 거절했기 때문에 제안한 것이었다. 루비는 리아가 그런 걸 원하지 않을 것이라고 하고, 리아는 예선에서 자기가 실수해서 떨어진걸 이전부터 신경쓰고 있는 모습을 보인다.
런닝하고 오니 세이라가 결승에서 Aqours랑 붙게 된다면 이 의상 이 곡으로 하자고 했었지라고 말하면서 Saint Snow가 부르는 ??? 라이브가 나오고, 이어서 Aqours가 부르는 ???이 등장한다. 이 라이브는 요우의 사촌인 츠키가 찍어서 인터넷에 업로드하고, 그것을 본 새 학교 친구들이 와서 라이브 준비를 도와준다. キセキヒカル 삽입곡과 함께 Aqours는 라이브를 준비하였고, 6인이서 ??? 라이브를 하게 된다.[151]
결국 Aqours는 분교에 다니지 않게 되고 분교 명판은 X표가 쳐진다. 한편 리아는 스쿨 아이돌을 같이 할 친구를 찾게 되면서 이야기는 끝이 난다.