育子、良子、あずみは高校の「超能力研究部」に所属する３人。日々、超能力やＵＦＯについて考える３人は、恋や友情などそれぞれに悩みを抱えながらも「ＵＦＯを呼ぶ」という目的のために力を合わせる！
『超能力研究部の３人』は、人気アイドルグループ・乃木坂46のメンバーである秋元真夏、生田絵梨花、橋本奈々未の３人が初めての主演をつとめる映画だ。マンガ家・大橋裕之の連作短編「シティライツ」から「超能力研究部」が登場する作品を選び１本の長編へと構成。青春映画の傑作『リンダ リンダ リンダ』で知られ、近年は『苦役列車』などを手がける山下敦弘がメガホンをとり、３人の少女のすこし不思議な青春を瑞々しく描き出す。
……のだが、映画『超能力研究部の３人』は一筋縄ではいかない映画になっている。秋元、生田、橋本が「超能力研究部」を演じるドラマパートだけではなく、映画に挑む３人の姿を追ったメイキングパートも加えて１本の映画になっているのだ。しかも、そのメイキングパートは実際のドキュメント映像ではない。「映画のメイキング」という設定のもと、秋元、生田、橋本が“自分自身”を演じ、共演者の碓井将大や葉山奨之、さらには監督の山下敦弘までもが“本人”として出演するというフェイク・ドキュメンタリーなのだ！
撮影が進行していく中で主演の３人がぶつかる壁や、現場で発生する思わぬトラブルも、あくまで用意されたストーリーだ。だがちょっと待て！ 「女優」となるべく苦悩する３人の表情もすべてがフェイクだというのか!? 「本当」と「嘘」の狭間を行き来する『超能力研究部の３人』は、やがてその境界すら越え、前代未聞の青春映画として疾走する。
村田育子（生田絵梨花）、山崎良子（秋元真夏）、小暮あずみ（橋本奈々未）は、北石器山高校の「超能力研究部」に所属する３人。３人とも真剣に超能力やＵＦＯなど、世の中の不思議なことについて考えている。
ところが最近、部長の育子の様子がどこかおかしい。部室でひとり念を込めたり、その姿を良子とあずみに目撃されるとごまかそうとしたり。良子とあずみが育子のあとをつけてみると、育子の視線の先には同級生の竹田孝一（葉山奨之）の姿が。育子は竹田に恋している？ ところが育子たち超能力研究部の３人は、それどころではない予想外の光景を目撃することになる。竹田と一緒にいた友人の森正太郎（碓井将大）が、いとも簡単にスプーン曲げをやってみせたのだ！
森のスプーン曲げを目の当たりにした育子たち３人は、森を超能力研究部にスカウト。意外にもアッサリと入部を承諾した森は部の一員となるのだが、育子たちはさらなる森の秘密を知ることになっていく。そしていろいろあって、３人はこの町にＵＦＯを呼び寄せようと決意する……。
というのが、乃木坂46のメンバー・秋元真夏、生田絵梨花、橋本奈々未が撮影している映画『超能力研究部の３人』のストーリーだ。映画の撮影という慣れない環境で、秋元、生田、橋本の３人は、監督の山下敦弘はじめとするスタッフや葉山奨之と碓井将大たち共演者に囲まれながら努力を重ねていく。
だが、女優として求められるものになかなか応えられない中で焦燥感が生まれていく。「女優」ってなんだろう？ 「アイドル」ってなんだろう？ 揺れ動く３人の姿を、メイキングのカメラは追っていく……。
