ある日、千秋は酔っ払って自宅の前で眠ってしまう。目が覚めると周囲にはゴミの山と悪臭、そして美しいピアノソナタを奏でる女性がいた。彼女の名前は野田恵（通称・のだめ）で、なんと千秋と同じマンションの隣の部屋に住み、同じ音大のピアノ科に在籍していたのだった。入浴は1日おき、シャンプーは3日おきというのだめだったものの、千秋はのだめの中に秘められた天賦の才を敏感に感じ取る。そしてのだめもまた、千秋の外見と音楽の才能に憧れて彼に纏わり付くようになる。この出会い以来、千秋はのだめの才能を引き出すべく、何だかんだと彼女に関わるようになる。

将来に行き詰まりを感じていたため無愛想だったが、本来は面倒見が良い性格の千秋は、のだめとの出会いを機に彼女の存在が潤滑油となり、音大の変人たちに出会い、懐かれ、順調に道を踏み外しながらも音楽の楽しさを思い出し、新しい音楽の世界と指揮者への道を一歩一歩切り拓き始める。また、千秋の存在によりのだめもより高い技術を得るための指導者や、環境に出会う機会を得て、それぞれが成長していく。
登場人物詳細は「のだめカンタービレの登場人物」を参照
楽団一覧
Sオケ（エスオケ）
フランツ・シュトレーゼマン（ミルヒー）により1年間結成されたオーケストラ。正式名称は「シュトレーゼマン特別編成オーケストラ」。本来シュトレーゼマンはAオケ（桃ヶ丘音楽大学正規のオーケストラ）と指揮科を指導することになっていたが、シュトレーゼマンの希望により「遊びのオケ」として作られた。コンサートマスターは峰龍太郎。シュトレーゼマン自身が学内を歩き回って見つけてきた、選りすぐりの変な学生たちによって構成されている。コンバス隊など、Aオケと掛け持ちのメンバーがいるパートもあるが、実態は桃ヶ丘音楽大学の落ちこぼればかりが集まったオーケストラ、とも称される。ところが、シュトレーゼマンは千秋をこのオケの副指揮者に任命して、練習を彼に押し付けてキャバクラに遊びに行ってしまう。更に、とある出来事がきっかけで千秋はこのオケの正指揮者に昇格。その後、千秋による厳しい練習を積み重ねていくうちに、メンバー全員がSオケを通じて落ちこぼれではなくなっていく。のだめは、オーケストラにピアノはないため、マスコットガールとして選ばれた。千秋らの卒業と同時にSオケは解散。その後、一部のメンバーが後述の「R☆Sオーケストラ」に加入し、新たな演奏活動を続けている。
R☆Sオーケストラ（ライジングスターオーケストラ）
発起人の三木清良と、それに賛同した千秋の2人が、かつてニナ・ルッツ音楽祭で編成されたオーケストラの主要メンバーを中心に、新設したアマチュアオーケストラ。千秋が初代指揮者、清良が初代コンマスをそれぞれ務める。2代目指揮者はR管やMフィルの指揮者だった松田幸久。広告費などを含め「裏軒」プロデュースで、命名も峰親子による。デビュー公演では素晴らしい演奏を披露、大好評の内に幕を閉じる。「進化変幻」と題した公演では、演奏や出演者は更に進化した。この公演終了後、千秋や清良ら海外組はこのオケに別れを告げた。その後、峰龍太郎が継続が危ぶまれるR☆Sオーケストラを永遠に続けるものにすべく奔走している。
ルー・マルレ・オーケストラ
1875年、ルー・マルレによってパリに設立された非常勤のオーケストラ。若き日のシュトレーゼマンやカイ・ドゥーンが在籍していた。現在の音楽監督は東京都交響楽団常任指揮者のジェームズ・デプリースト。デプリーストの推薦により千秋が常任指揮者に就任する。楽団内の不和により多くの主要メンバーが退団、新メンバーの募集を行い再生を図っている。
デシャン管弦楽団（デシャンオーケストラ）
パリの私立オーケストラ。千秋曰く「真面目でいいオケ」。新しい常任指揮者の候補として、千秋、ジャンをたて続けに客演で振らせ、結果ジャンが新しい常任指揮者に就任することになった。オリバーによれば、それまでオカタい真面目な指揮者が常任だったため、現代的で華やかなジャンが選ばれたらしい。
ルセール管弦楽団（ルセールオーケストラ）
ルー・マルレ、デシャンと並ぶ、パリのオーケストラ。通称「R管」。松田幸久が首席客演指揮者を務める。
ウィルトール交響楽団（ウィルトールオーケストラ）
フランスのオーケストラ。マルレ・オケより格上。千秋はプラティニ国際指揮者コンクールとパリのデビュー公演で振っている。孫Ruiと千秋が共演した。フランスのオケだが、ドイツ式ファゴットが使われている。
小道具
プリごろ太
作中に登場する幼児向けアニメで、日本国外でも放映されるほどの人気がある。ハラヒロシ作。「プリごろ太」の大ファンであるのだめは、セリフを丸暗記しており、この作品のフランス語吹き替え版『Prilin et Gorota PRIGOROTA』を見て、フランス語を習得した。ドラマ版、アニメ版の劇中劇として実際にアニメが制作され、完全版がアニメ版DVDの特典となった。
もじゃもじゃ組曲（La suite mojamoja）
のだめ作曲、谷岡肇・江藤耕造編曲の全12曲からなる組曲。第1曲は「もじゃもじゃの森」で第12曲は「幸せ色の虹」。
マングース
のだめお手製の着ぐるみ。手にはハブを持っている。長い時間をかけて一生懸命作ったが、ボロでオケのみんなからは不評だった。文化祭でお披露目。その後もモノローグ内の、のだめの心象風景として背景によく登場している。2006年9月にバンダイから実際に発売された「マングースぬいぐるみ」は予約件数1万個を確保するヒット商品になった[15]。その他、漫画「のだめカンタービレ」第15巻の限定版にもマングースぬいぐるみが付属された。
みそ字
のだめが作って、千秋のパソコンに勝手にインストールしていた、パソコン用フォント。ぱっと見では、ミミズののたくったような下手くそな文字だが、英語はかろうじて読める、独特な雰囲気を持ったフォントである。のだめの弟によりオンラインで販売されているという設定（現実には、売られてはいない[注 2]）、購入者の1人に三善俊彦がいる。
博多通りもん
のだめの郷里福岡県名産の土産菓子。オクレール先生にもあげるなど度々登場する。
おなら体操
幼稚園の先生を目指していたのだめがお遊戯用に作った曲。ドラマ版劇中では、のだめが歌いながらピアノを弾き、江藤（のだめの大学時代の先生）が踊った。アニメ版にも登場した。2007年2月21日発売の『「のだめオーケストラ」STORY!』のDisc2の1曲目にアニメ版のだめ役の川澄綾子によるもの[注 3]が収録されている。川澄は2007年2月の「のだめオーケストラコンサート」でも弾き語りを披露している。2007年5月23日にはドラマ版のだめ役の上野樹里が歌うCDが発売され、未公開の歌詞も含まれた完全版となり、特典として振り付けDVDがついている。また、漫画「のだめカンタービレ」第17巻に、一部の予約特典としておなら体操のCDが付属する予定だったが、無許可だったため中止になった。
裏軒
桃ヶ丘音楽大学の裏にある中華料理屋。峰龍太郎の父・龍見が経営。チャーハンが人気No.1メニューなど、一見すると中華料理屋だが、創作中華はおろかクラブハウスサンドを初めとした喫茶メニューからクリスマスケーキの予約等も提供しており、音大の生徒や教師達が集う人気店となっている。