Akademi Persendirian Seikyou, yang dibina atas tipu muslihat mitos ghaib tradisional, mempunyai masa lalu yang kelam—selama 60 tahun, ia telah dihantui oleh hantu yang dikenali sebagai Yuuko, seorang wanita muda yang mati secara misteri di ruang bawah tanah bangunan sekolah lama. Tanpa ingatan tentang hidup atau matinya, Yuuko diam-diam mencari dan mengetuai Kelab Penyiasatan Paranormal untuk mencari jawapan.
Pertemuan secara kebetulan menyebabkan Yuuko berpaut kepada pelajar baru yang rajin Teiichi Niiya, yang dapat melihat hantu aneh itu, mereka cepat rapat, dan dia memutuskan untuk membantunya. Bersama-sama dengan Kirie Kanoe, saudara Yuuko, dan Momoe Okonogi tahun kedua yang tidak sedar, mereka menyelidiki Tujuh Misteri yang terkenal di sekolah bercerita itu.
Tasogare Otome x Amnesia mengisahkan kisah unik pelajar yang bekerjasama untuk memberi penerangan tentang kejadian paranormal sekolah mereka, sambil semakin menghampiri kebenaran di sebalik kematian Yuuko.
