Project SEKAI Movie: Kowareta SEKAI To Utaenai MIKU opowiada historię Ichiki Hoshino, która w sklepie muzycznym po raz pierwszy słyszy nieznaną piosenkę Hatsune Miku. Na ekranie widzi niecodzienną postać Miku, co wywołuje jej zdumienie. Miku zauważa jej głos, lecz szybko znika. Po koncercie na ulicy, ta sama Miku pojawia się na smartfonie Ichiki, ujawniając smutek i chęć dotarcia ze swoją muzyką do słuchaczy. Mimo wysiłków, jej piosenki nie docierają do ludzi. Inspirując się występem Ichiki, Miku postanawia ją lepiej poznać, wierząc, że dzięki temu odnajdzie sposób na skuteczne dzielenie się swoją muzyką z innymi. Ichika zgadza się pomóc Miku, rozpoczynając tym samym nowy rozdział we wspólnej historii.
Project SEKAI jest związane ze światem gry, w której wokaliści wirtualni, tacy jak Miku, istnieją w rzeczywistości jako wirtualne postacie, śpiewające piosenki artystów z całego świata. Akcja filmu rozwija ten świat, ukazując głębsze emocje i relacje między bohaterami a wirtualnymi wokalistami.