Аниме носит название «Меланхолия Харухи Судзумии» (яп. 涼宮ハルヒの憂鬱 Судзумия Харухи но Ю:уцу») и его сюжет в основном следует первой книге серии повестей, в отдельных сериях перемешиваясь с историями из последующих книг. Аниме состоит из четырнадцати серий, которые намеренно демонстрировались не в хронологическом порядке.

Первая (по порядку показа) серия аниме начинается с демонстрации «любительского фильма», снятого персонажами этого сериала. Средствами анимации имитируются такие особенности любительской видеосъёмки, как расфокусированное изображение, попадание в кадр режиссёра, плохая игра актёров.

Сам по себе фильм слабо связан с сюжетом остальных серий, хотя даёт небольшие подсказки и является пародией на каноны жанра махо-сёдзё: по сюжету, путешественница во времени из будущего, подрабатывающая промоутером, должна защитить старшеклассника, обладающего невиданной силой, от злой волшебницы-инопланетянки.

Главная героиня повествования — Харухи Судзумия, ученица первого класса японской старшей школы (по российским стандартам примерно 10-го), возглавившая школьный клуб под названием «Команда SOS» (яп. SOS団 Эсу О: Эсу Дан) для поиска инопланетян, гостей из будущего, людей из параллельных миров и других необычных существ и явлений. Название клуба — это сокращение от «Команда Судзумии Харухи для максимального наполнения мира» (яп. 世界を大いに盛り上げるための涼宮ハルヒの団 Сэкай о Оой ни мориагэру тамэ но Судзумия Харухи но дан).

Внимание!  Ниже упоминаются сюжетные повороты или даже раскрывается концовка. [прокрутить]
Главная героиня сериала — Судзумия Харухи, но повествование идёт от лица Кёна — её одноклассника. Кён перешел в новую школу и во время первого урока в новом классе заметил эксцентричную девушку, сидящую за соседней партой. Она в своём приветствии сообщила, что её интересуют только инопланетяне, люди из параллельных миров, гости из будущего и экстрасенсы, которых она ищет в своем классе и ожидает встречи с ними.

Позднее Кён очень заинтересовался этой девушкой, поражающей его своими странностями. Расспрашивая о ней у своих одноклассников, он выяснил, что она практически ни с кем не общается и всех игнорирует. Тем не менее, Кёну удаётся с ней поговорить, и после пары небольших бесед с ним Харухи решает создать кружок «Команда SOS». В дальнейшем в него вступают ещё несколько человек. Далее они сообщают и доказывают Кёну, что все они не являются обычными людьми, и что в кружке есть один инопланетянин, один человек из параллельного мира, одна гостья из будущего и один экстрасенс. Все они утверждают, что само их существование возможно только потому, что Харухи захотела этого, и что от настроения Харухи зависит судьба данного мира. Их цель — делать всё для того, чтобы Харухи была довольна, но при этом ни в коем случае нельзя говорить ей об этом, так как иначе она поверит, что всё вокруг иррационально и это приведёт, по их мнению, к концу света.