Film drama reflektif The Sea of Trees mengikuti perjalanan emosional Arthur Brennan, seorang dosen fisika paruh waktu yang datang ke hutan Aokigahara di Jepang, tempat yang dikenal dengan julukan 'Suicide Forest'. Ia membawa sebuah paket tertutup dan berniat mengakhiri hidupnya dengan cara menelan obat dalam jumlah besar.

Namun rencananya berubah ketika ia bertemu pria Jepang bernama Takumi Nakamura. Takumi datang ke hutan itu dua hari sebelumnya setelah mengalami masalah besar di pekerjaannya. Dalam keputusasaan, ia sempat melukai dirinya, tetapi kemudian tersadar bahwa ia masih ingin kembali pada istri dan putrinya, Kiiro dan Fuyu. Sayangnya, hutan yang lebat membuatnya tersesat dan tak bisa menemukan jalan keluar.

Arthur memutuskan membantu Takumi keluar dari hutan. Tapi alih-alih menemukan jalur pulang, keduanya justru makin tersesat. Untuk menjaga kewarasan, mereka berbagi cerita tentang kehidupan masing-masing.

Lewat kilas balik, terungkap bahwa pernikahan Arthur dengan istrinya, Joan, berada di ambang kehancuran. Joan yang bekerja sebagai agen properti merasa dikhianati karena Arthur pernah berselingkuh dengan rekan kerjanya, Gabriella, dan dianggap terlalu mementingkan diri sendiri. Di sisi lain, Arthur merasa tersakiti oleh kebiasaan Joan yang sering meremehkannya, terutama soal penghasilan.

Suatu malam setelah pertengkaran hebat, Joan mengalami mimisan parah dan dilarikan ke rumah sakit. Ia didiagnosis mengidap tumor otak. Di tengah masa sulit itu, hubungan mereka perlahan membaik. Mereka kembali mengingat kenangan indah, termasuk momen di rumah danau tempat Joan suka berjalan di antara bunga anggrek. Arthur berjanji akan membawanya kembali ke sana setelah ia pulih.

Namun tragedi terjadi. Saat Joan dipindahkan ke rumah sakit pemulihan, Arthur mengikuti ambulans sambil berbicara dengannya lewat telepon. Ia bercanda soal tidak tahu warna atau musim favorit Joan. Sebelum Joan sempat menjawab, sebuah truk menabrak ambulans tersebut. Joan meninggal di tempat.

Di pemakamannya, Arthur mengaku pada direktur pemakaman bahwa ia merasa tak benar-benar mengenal istrinya meski telah menikah bertahun-tahun. Direktur itu kemudian mengatakan ia mendengar salah satu saudari Joan pernah mengirimkan buku favorit Joan ke rumah Arthur, seolah menjadi pengingat bahwa mungkin Arthur tak sepenuhnya memahami wanita yang ia cintai.

Di tengah hutan yang sunyi, perjalanan Arthur bukan hanya soal tersesat secara fisik, tetapi juga tentang menghadapi rasa bersalah, kehilangan, dan kesempatan kedua untuk memahami arti cinta.