Koi to Uso plantea un futuro utópico en el que las parejas sentimentales son escogidas de forma matemática basada en cálculos de compatibilidad entre personas. Dicho sistema pretende establecer emparejamientos perfectos y obligatorios, con los que consigan aumentar la tasa de natalidad del país. Para ello, a los 16 años se les envía una carta a los chicos y chicas comunicándoles cual es su futura pareja y reuniéndoles para que se conozcan.

El prota Yukari Nejima es un joven que siempre ha estado enamorado de Misaki Takazaki, su compañera de clase de su infancia. El día antes de la llegada de la carta, este le confiesa a Misaki sus sentimientos, encontrándose que el sentimiento es recíproco. En ese mismo momento le llega el temido correo, encontrándose que su pareja asignada es en realidad Ririna Sanada. ¿Qué hará Yukari? ¿Se negará a aceptar la relación?