『雲のむこう、約束の場所』に続く、新海の4作目の監督作品。渋谷シネマライズを皮切りに、その他の地方でも上映された。また2月16日正午から3日間にかけて、Yahoo!プレミアム会員、Yahoo! BB会員限定サービスとして、第1話「桜花抄」の先行無料配信が行われた。
2007年7月19日にDVDが発売、同10月19日からレンタルが開始された。また2008年4月18日には、Blu-ray版と限定生産品としてHD DVD版が発売されている。
なお、「ダ・ヴィンチ」誌上で新海自身による同作の小説も連載された。それぞれの話を前編と後編に分けた全6話構成で、2007年11月16日には小説の単行本が発売された。
タイトルとなっている「秒速5センチメートル」とは「桜の花びらの落ちるスピード」のことで、作中冒頭で明かされている。これは本作を制作していた当時、新海が自身のサイトで交流していた人物から聞いたという事で、相手側の了承を得てタイトルに起用した。
1. 桜花抄（おうかしょう）
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東京の小学生・遠野貴樹と篠原明里はお互いに対する「他人には分らない特別な想い」を抱えていた。しかし小学校卒業と同時に明里は栃木へ転校してしまい、それきり会うことが無くなってしまう。貴樹が中学に入学して半年が経過した夏のある日、栃木の明里から手紙が届く。それをきっかけに、文通を重ねるようになる2人。しかしその年の冬に、今度は貴樹が鹿児島へ転校することが決まった。鹿児島と栃木では絶望的に遠い。「もう二度と会えなくなるかもしれない...」そう思った貴樹は、明里に会いに行く決意をする。しかしその約束の日、関東では大雪となった。当初の予定は列車の遅延で大幅に狂い、時間だけがただ残酷に流れていく...。貴樹と明里の、再会と別れの1日を時間経過と共に描く（約28分）。
2. コスモナウト
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種子島の高校3年生・澄田花苗は、中学2年の春に東京から転校してきたクラスメートの貴樹に恋をしていたが告白できずにいた。しかも卒業を控えながら自身の進路についても決められず、趣味のサーフィンでも波の上に立つことが出来ないというスランプに陥っていた。そんな折、貴樹が卒業後は東京の大学へ行くと知った花苗は、再び「波の上に立つことができた」そのとき、自身の想いを貴樹に告げようと決心する（約22分）。
3. 秒速5センチメートル
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貴樹は高みを目指そうともがいていたが、それが何の衝動に駆られてなのかは分からなかった。ただひたすら、仕事に追われる日々。3年間付き合っていた女性からは「1000回メールしても、心は1センチくらいしか近づけなかった」と言われ、自身の心が彼女に向いていないことを見透かされてしまう。貴樹自身も自分自身の葛藤から、若き迷いへと落ちてゆく。しかし、貴樹の心は今もあの中学生の雪の夜以来ずっと、彼にとって唯一の女性を追い掛け続けていたのだった...。一方、明里は...。大人になった彼らの自らへの自問自答を通じて、魂の彷徨を描いた表題作（約15分）。
脚本・監督・原作：新海誠
作画監督・キャラクターデザイン：西村貴世
美術：丹治匠・馬島亮子
音楽：天門
主題歌：『One more time, One more chance』
歌：山崎まさよし（One more time, One more chance 『秒速5センチメートル』 Special Editionとして再発）
制作・配給：コミックス・ウェーブ
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