Tasogare Otome x Amnesia berlatar di Akademi Seikyou, sebuah sekolah menengah dengan sejarah panjang dan penuh misteri, tersebar berbagai cerita hantu di antara para siswa. Salah satu cerita yang paling terkenal adalah tentang hantu seorang gadis bernama Yuuko Kanoe, yang dikatakan menghantui gedung lama sekolah. Namun, tidak ada yang tahu penyebab kematiannya atau bagaimana dia menjadi hantu.
Teiichi Niiya, seorang siswa baru di Akademi Seikyou, secara tidak sengaja bertemu dengan Yuuko ketika dia tersesat di gedung tua sekolah. Yang mengejutkan, Teiichi adalah satu-satunya orang yang bisa melihat dan berinteraksi dengan Yuuko. Meski Yuuko tidak memiliki ingatan tentang masa lalunya atau bagaimana dia meninggal, dia tetap ceria dan suka bermain-main dengan Teiichi.
Setelah pertemuan itu, Teiichi dan Yuuko mendirikan Klub Penyelidikan Paranormal bersama beberapa teman mereka, Kirie Kanoe dan Momoe Okonogi. Tujuan mereka adalah untuk menyelidiki fenomena supranatural di sekolah, terutama untuk mengungkap misteri kematian Yuuko dan alasannya terjebak sebagai hantu.
Seiring penyelidikan mereka, Teiichi dan teman-temannya mulai mengungkap rahasia kelam di balik kematian Yuuko dan sejarah sekolah tersebut. Mereka menemukan bahwa Yuuko mengalami nasib tragis yang melibatkan rasa takut, kesalahpahaman, dan rasa bersalah. Teiichi dan Yuuko mengembangkan hubungan yang kuat, meskipun mereka berada di dunia yang berbeda.
Namun, seiring dengan terungkapnya kebenaran, Teiichi harus menghadapi kenyataan pahit bahwa untuk membebaskan Yuuko dari dunia ini, dia mungkin harus melepaskannya selamanya.
