《图书室的女友》是一部校园日常恋爱漫画，与《图书馆的女友》不同，故事发生在一所乡村小学的旧图书室，由一位刚毕业的年轻老师周远负责管理。图书室里有一个常客——五年级女孩林小麦，她每天放学后都来，却从不借书，只是坐在角落写东西。周远以为她在做作业，直到某天他帮她捡起掉落的笔记本，发现里面全是写给“图书室”的信，信里倾诉着父母离异、转学压力、以及“今天图书室的光线很好，像妈妈以前客厅里的颜色”。周远没有揭穿，而是每天悄悄在借阅卡背面画上当日窗外的晚霞，夹在她常坐位置的某本书里。林小麦开始回画——她画的是图书室窗台上那盆绿萝，每一片叶子都写着一个“谢谢”。这场无声的“画信交换”，成了两个孤独灵魂最温暖的交流方式。
周远第一次翻开那本封面磨损的笔记本，读到了林小麦写下的第一封信：“亲爱的图书室，你知道吗？你是我放学后唯一愿意说话的地方。”他合上本子，在借阅卡背面画了一扇窗，窗外是橙色的黄昏。
林小麦发现借阅卡上的晚霞每天颜色都不同，开始每天提前十分钟到图书室，就为了看窗外的天空是不是和卡片上画的一样。当某天晚霞和卡片一模一样时，她在那本书里夹了一颗用糖纸折的星星。
林小麦开始在笔记本里画图书室那盆绿萝，每片叶子写一个“谢”字。当绿萝的叶子画满一整页时，她把笔记本故意落在桌上。周远翻到那一页，在最后一片叶子上写了“不谢”，第二天又画了一盆新的小绿萝在旁边，写着“这是回信”。
林小麦告诉周远，下学期她可能要去城里跟爸爸住了。她问“图书室能不能也搬走”，周远沉默了一节课，然后在那天借阅卡背面画了一整面星空，底下写：“图书室会在这里，但我会寄晚霞给你。”
林小麦离开后，周远每天仍在她常坐的位置放一本书，书里夹着当日的晚霞画。三个月后，他收到一个从城里寄来的纸箱，里面是林小麦画的所有窗台绿萝，每片叶子都变成了彩色，最后一页写着：“城市也有晚霞，但没有你的图书室好看。”
十年后，周远已是这所学校的校长。某天一个年轻女老师来应聘，她走到图书室门口，对周远说：“请问，这里还有借阅卡吗？”她翻开随身带的笔记本，里面夹着一张泛黄的、画着晚霞的借阅卡。