COLORFUL STAGE! The Movie: A Miku Who Can't Sing bercerita tentang Hatsune Miku yang tiba-tiba kehilangan suaranya sehingga tidak bisa bernyanyi, menyebabkan Sekai-nya (dunia virtual) runtuh dan versi Miku di Sekai lain ikut menghilang. Lima grup musik kemudian bersatu untuk menciptakan dan menampilkan lagu-lagu baru, berharap dapat membangkitkan kembali harapan dan menyelamatkan Sekai Miku, sebelum Miku akhirnya kembali dan bisa bernyanyi lagi.
- Miku kehilangan suaranya: Suatu hari, Hatsune Miku tidak bisa bernyanyi; yang terdengar hanyalah suara bising dari liriknya. Ia berusaha menghubungkan diri dengan orang-orang melalui lagu, namun terus gagal dan semakin putus asa.
- Kelima grup musik mencoba membantu: Miku meminta bantuan lima grup musik yang ada untuk menyempurnakan lagunya, tetapi usahanya kembali gagal.
- Sekai runtuh: Saat Miku semakin putus asa, ia memindahkan kelima grup ke dalam Sekai-nya. Mereka menyaksikan perjuangan Miku, tetapi pada akhirnya Miku menyerah dan Sekai-nya pun tenggelam dalam kegelapan, menyebabkan versi Miku di Sekai lain menghilang.
- Upaya penyelamatan: Kelima grup musik memutuskan untuk bergabung dan menciptakan lagu baru untuk menghibur orang-orang yang kehilangan harapan. Mereka berharap dapat membangkitkan kembali semangat dan menyelamatkan Sekai Miku.
- Sekai kembali cerah: Pertunjukan konser mereka berhasil menyentuh hati banyak orang dan membangkitkan harapan. Kelima Sekai yang sempat menghilang kini pulih.
- Miku kembali: Dengan harapan yang kembali, Miku muncul kembali dengan semangat baru. Ia tampil di depan Shibuya dan berhasil terhubung secara emosional dengan penontonnya, kali ini dengan suara yang indah.
- Kembali ke dunia nyata: Sekai Miku kini cerah dan penuh harapan. Ia mengucapkan terima kasih kepada kelima grup musik dan mengembalikan mereka ke dunia nyata, menunggu pertemuan berikutnya dengan para pencipta Sekai yang telah bangkit dari keterpurukan.