خواهر ستاره‌شناس، زمانی آغاز می‌شود که ویلیام هرشل موسیقی‌دان و ستاره‌شناس برجسته برای نجات خواهرش کارولین از یک زندگی پر از محنت و سختی در آلمان، به یاری او می‌شتابد، او را همراه خود به انگلستان می‌برد؛ تا با دنیای موسیقی و ستاره‌شناسی آشنایش کند. کارولین، که لینا خوانده می‌شود به عنوان دستیار ویلیام و مسئول رسیدگی به خانه‌ی پر همهمه و نامتعارف او مشغول به کار می‌شود. ویلیام سخاوتمند، دانا و جذاب است و لینا که او را عاشقانه دوست می‌دارد. از هیچ فداکاری برای برادرش دریغ نمی‌ورزد. زمانی که ویلیام در میان‌سالی تصمیم ازدواجش را اعلام می‌کند، دنیایی که لینا برای خود ساخته بود فرو می‌ریزد...