《宇宙兄弟》是以太空人为题材展开故事。2006年7月9日，年少的南波兄弟约定要一起成为太空人。时光飞逝到了2025年，因为当时的约定促使日日人成为NASA的太空人，并且已要向月球迈进。另一方面，因为上司说了弟弟的坏话，让六太气愤而给了上司一记头锤，六太因此失业。振作起来的六太想要再就业也非常不顺利，因此让他变得意志消沉而颓废，但在听到事情原委的日日人当天寄了封邮件给六太，使得原本消沉度日的六太因此而振作起来，并决定重新面对梦想、朝目标迈进。某天回家后，六太收到JAXA寄来的太空人选拔测验的书面资料考核通过的通知书(那其实是他母亲随手寄送到JAXA的档案)。六太的太空人选拔测验的挑战开始。哥哥南波六太正在消沉的时候收到了弟弟南波日日人简讯，想起了小时候跟弟弟一起约定的要成为与太空人的梦想，于是重新拾起梦想振作起来努力奋斗的故事。

深夜森林探险的日日人与六太两兄弟发现了不明飞行物，一瞬间飞往了月球，当晚两兄弟约定好了以后一起当飞行员。长大的日日太已经实现了梦想，因为上司对弟弟出言不逊，所以六太用头槌撞倒了上司，结果被解僱。遣返回乡的六太迫于父母的压力，进行求职活动，日日人知道后拜託母亲帮他一个忙，于是某日，六太收到了太空人选拔的通知······

虽然通过了书面筛选，但六太并不打算去，他觉得自己笔试肯定过不了。莎朗阿姨并没有劝说他，只是谈起了六太小时候的事情，让六太回想起了以前的自己，最终决定要实现去宇宙的梦想。书面筛选、笔试一一闯过，六太迎来了面试，当六太坐上面试準备的椅子后，发现椅子下面有颗螺丝鬆了，想要拧紧螺丝的他觉得自己面试的一塌糊涂······

第二轮的审查，也繁杂无比。运动负荷测试中，让所有人大为吃惊的是伊东芹夏，她是这些人中坚持时间最长的。与真壁闲谈的六太，被沟口找茬，认为身为日日人的哥哥可以获得很多情报，虽然最后沟口说是开玩笑的，但还是让六太感觉不爽。测试完毕后，六太自认为很囧的行为被伊东看到，而第二天，却发现伊东也做着跟他同样的动作······

第二轮的审查终于要落下帷幕，六太自信满满的迈向面试的舞台。出来后看见墙壁上日日人的照片，感慨万分，弟弟的身旁，怎能没有哥哥的身影，于是在日日人照片的旁边，留下了属于自己的印记。参加完第二轮紧张审查的一众人去聚餐，六太询问了真壁某个问题的答案后，有种被打入冰窟的感觉。刚买好电话的六太，接到了日日人来电······

虽然没面子见日日人，但抗拒不了NASA的诱惑，来到了休斯顿。刚到约定地点，六太就被一个叫阿波的狗紧追不捨，就在他疑惑期间，从后面传来了日日人的声音，原来这是他养的狗。到了日日人的住处，六太就开始絮叨日日人懒得管细节，习惯也没有改，开始一一挑毛病，做好饭的日日人在院子找到了六太，兄弟俩就那样说起了往事······

看到日日人的训练，六太有惊讶也有羡慕。在电视节目上日日人对哥哥大加讚赏，让电视机前的六太感到不好意思，钻进了被窝，这时，电话响了，是以前单位同事打来的，告诉他由于间寺董事对他持有恨意，所以Jaxa打电话过来调查时他被辞职的原因时，被间寺添油加醋的说了一番，这让六太感到了绝望，但他想不到的是，有人却再背后帮助着他······

得知被间寺油加醋的给Jaxa人说了一番后，心情不好的六太进入了“滚来滚去六太”模式，在日日人的追问之下，六太终于对日日人说出了原因，以及回国以后的打算，不想却被日日人鄙视，想要给日日人留书一封然后回国。另一方面，星加先生也在努力的为六太争取他所缺少的运气，就在决定人选的当天，六太在美国被捲入了一起重大事件中······

六太勇斗灭火器男，被人争相传诵，在美国掀起了一股浪潮。当事人应邀上电视节目，重现当时六太的飒爽英姿，虽然欧吉在观众面前说的有些添油加醋，但他告诉六太，运气也是实力之一。日本Jaxa的茄子田理事长也看到了报导，他的一句话，对六太的前途起了巨大的作用。身在美国的六太，也收到了父母寄来的标题为“六太第二次审查结果报告”的录像邮件。

六太无意间看见了日日人写的遗书，抱着沉重的心情返回了日本。他虽然知道太空人每次执行任务前都会写这东西，但从没想过日日人已经做好牺牲的觉悟。B班为合格进入第三轮测试的五人举办的庆祝会，六太也见到了心里所念想的伊东，谈到了如果真成了太空人的话，想要做什幺任务的话题，伊东的愿望，竟然是想要登上快要退役的ISS······