2009年的盛夏，少女小葵有一个伟大的梦想。听说，小城7月的时候，火车就要开始运行了。听说，葵花田很漂亮，大把热烈的色彩与蓝天白云相映成趣。
这个盛夏，小葵因中考失利而变得沉默寡言。9月，小葵的父母把她送进了小城的一所职校，为她选了美术设计专业。失意的小葵在学校里总是闷闷不乐，直至遇见了转学过来的男生任向南。
任向南长相平平，但是他身上有两种东西吸引着他人的眼光：一是成绩，另外一个就是他冰冷的气质。因他的孤僻性格，班上的男生十分厌恶。所以，他经常受到男生的挑衅，但他从来都是以沉默回应。小葵开始注意任向南，她发现任向南总是低着头画画或者看小说。
图书馆里，小葵正捧着一本画册看得出神，任向南经过她身边时居然递给了她一幅画，小葵吃惊得瞪大了眼睛，任向南居然为自己画了一幅素描！
小葵讪讪地说：“为什么送画给我？”任向南眉毛一挑：“画里面的人是你，不送你，送谁？”这幅画，让两人慢慢熟悉起来。小葵发觉，其实任向南并没有那么不可靠近，只是他真的不喜欢说话。很多时候都是小葵在说，任向南在听。
一次放学，他俩相约去铁道边看夕阳。
任向南问：“小葵，你最想去哪里？”
向小葵抬头看着前方，“我想要去看那些明媚的葵花田。可是，我不知道葵花田在哪里。”“你以后去广州吧。那里有你想见的葵花田。”任向南说。
那天回来后，小葵突然觉得，青春真的可以充满阳光。然而，一个月过后，任向南悄无声息地转学了。上课时，小葵总是会回头看看那张空荡荡的桌子，她的心里头藏着大片大片的乌云。“任向南，你连离开都不肯通知我一声。”
而此时的任向南，也在想着小葵，他的不辞而别，是因为他的父母都是铁路工人，一段铁路修完了，他们便要辗转到另一个城市修另一段铁路。走时，他来不及向小葵告别。火车驶出小城的时候，任向南在车厢的窗户上写下了“向小葵”三个字。“向小葵，你知不知道，我不喜欢与人交往是因为我害怕分别。只是，你真的是我最温暖、最美好的回忆。”
任向南离开的第100天，向小葵跟着旅游团去了广州。在广州番禺的百万葵园里，小葵看见了大片大片的花海。小葵却很失落，她低着头，刘海遮住了她眼角的忧伤。
后来，小葵得知，最大的葵花田在新疆的乌鲁木齐。那个夜晚，向小葵在博客里写道：“任向南，我曾经以为我会在一片葵花田里遇到你。”
向小葵还做了个梦，梦里的她和任向南重逢在乌鲁木齐大片的葵花田里……