Marnien tarina sijoittuu Japanin pohjoiselle Hokkaidon saarelle. 12-vuotias Anna on tätinsä talossa asuva ujo orpotyttö. Yhtenä iltana Anna löytää aution rantahuvilan, jonka ikkunassa vilahtaa hahmo. Kun tyttö nimeltä Marnie eräänä yönä hiipii ulos huvilasta, alkaa ainutlaatuinen ystävyys.
Lahjakkaan nuorukaisen ja salaperäisen tytön polut kohtaavat kuplien ja painovoiman poikkeavuuksien runtelemassa Tokiossa.
Viktoriaaniseen Englantiin sijoittuvat tapahtumat kertovat Rei- nimisestä nuorestatiedemiehestä. Ensimmäinen maailmannäyttely on ovella, kun Rei saa yllättävän lahjanisoisältään, Roidilta. Höyrypallo, jonka Roid on lähettänyt Reille, pitää sisälläänuskomattomia voimia. Nämä voimat voivat olla hyvin tuhoisia väärissä käsissä, joitaedustaa höyrypalloa tavoitteleva häikäilemätön ja salaperäinen Ohara Foundation.