Totto-chan, seorang gadis kecil yang dianggap nakal oleh guru-guru SD nya bahkan dia dianggap memiliki tingkah laku yang aneh untuk anak seusianya. Padahal dia hanya memiliki rasa ingn tahu yang berlebih, Mulai dari membuka tutup lacimejanya, hingga memanggil penyanyi jalanan, dan bahkan berdiri berjam-jam di depan jendela selama pelajaran berlangsung untuk berbicara pada burung walet dan hal ini adalah salah satu yang membuat mama totto-chan dipanggil ke sekolah.

Karena kenakalannya, Totto chan dikeluarkan dari sekolah, kemudian ibunya menemukan sekolah yang cocok untuk totto-chan dan sekolah itu bernama Tomoe Gakuen. Pak Kobayasi, selaku kepala sekolah menerima Totto chan dengan senang hati. Tomoe Gakkuen tidak seperti sekolah pada umumnya, tomoe gakuen adalah ruang kelas yang dibuat dari deretan gerbong kereta api yang sudah tidak dipakai. Selain itu, metode pembelajarannya pun berbeda dari sekeloh umum, di sekolah tersebut, murid-murid dapat bebas belajar apa saja tanpa terkekang oleh jadwal dan dapat memilih pelajaran apa saja yang disukainya serta sekolah ini memilki aktivitas yang berbeda-beda setiap harinya yang menambah rasa ingin tahu pada murid-muridnya dan selalu semangat untuk pergi kesekolah.

Pada Jam makan siang di Tomoe Gakuen, Pak Kobayashi menyuruh murid-muridnya membawa bekal sesuatu dari laut dan sesuatu dari pegunungan dan sesaat sebelum makan siang mereka menyanyi bersama �yuk kunyah baik-baik� baru setelah selesai mereka mengucapkan �itadakimasu�.

Suatu hari sekolah Tomoe Gakuen kedatangan gerbong baru yang membuat Totto chan dan teman-temannya gembira. Mereka bahkan menginap di sekolah dengan membawa bantal dan selimut sendiri. Akhirnya pada waktu tengah malam datanglah gerbong baru yang mereka tunggu-tunggu.

Namun sayang, sekolah itu tidak dapat bertahan lama, perang dunia kedua mulai melanda Jepang sekolah yang sangat mereka cintai hancur terbakar akibat bom yang dijatuhkan oleh pesawat amerika di langit Tokyo. Dan pada akhirnya totto-chan dan teman-temanya berpisah untuk mengungsi ketempat yang lebih aman serta berharap bisa bertemu kembali di lain waktu. Dan Tomoe Gakuen akan selalu menjadi kenangan manis dalam hidup murid-muridnya, termasuk Totto-chan.