Сериал "Полуночный мотив сердца" рассказывает историю Арису, парня из очень влиятельной семьи, который привык всё доводить до идеала. Но ему всегда чего-то не хватало, какого-то важного элемента, который он однажды нашёл в голосе загадочной радиоведущей по имени Apollo. Её ночная программа стала для него откровением, а потом внезапно исчезла, оставив лишь смутное воспоминание о тембре и интонациях.

Спустя годы, уже в старшей школе, Арису оказывается в Фурин — учебном заведении, куда раньше принимали только девушек. Там он случайно слышит тот самый, неуловимый голос. Это приводит его в школьную радиорубку, где он знакомится с четырьмя совершенно разными ученицами. Каждая из них грезит о карьере, связанной со своим голосом: одна хочет петь, другая — озвучивать аниме, третья мечтает о славе блогера, а четвёртая видит себя у микрона на телевидении.

Арису решает помочь им всем, потому что в каждой из девушек ему чудится отголосок той самой Apollo. Его поиски таинственной ведущей постепенно превращаются в необычный проект, где он становится наставником для этого квартета, пытаясь вместе с ними отыскать тот самый волшебный "последний штрих" — и в их будущем, и в своём прошлом.