Anime Kobato mengikuti perjalanan seorang gadis muda bernama Kobato Hanato, yang memiliki misi khusus untuk mengisi sebuah botol dengan “konpeito” (gula-gula bintang) yang dia dapatkan dengan menyembuhkan hati orang-orang yang terluka. Untuk mencapai tujuannya, Kobato harus menunjukkan kebaikan dan membantu orang lain mengatasi kesedihan mereka.
Kobato adalah gadis yang polos, ceria, dan penuh energi, meskipun kadang-kadang dia naif dan canggung. Dia ditemani oleh Ioryogi, seekor boneka anjing biru kecil yang bisa berbicara dan memiliki kepribadian yang cukup keras. Ioryogi adalah sosok yang mengawasi Kobato dalam menjalankan misinya dan sering memberikan teguran ketika Kobato melakukan kesalahan.
Kobato bekerja di sebuah taman kanak-kanak yang dikelola oleh seorang wanita bernama Sayaka Okiura. Di sana, Kobato bertemu dengan berbagai karakter, termasuk Fujimoto Kiyokazu, seorang pemuda yang juga bekerja di taman kanak-kanak dan memiliki hubungan kompleks dengan Sayaka. Meskipun pada awalnya mereka tidak akrab, seiring berjalannya waktu, Kobato dan Fujimoto mulai saling memahami dan mendukung satu sama lain.
