A Academia Privada Seikyou, construída sobre a intriga dos mitos ocultistas tradicionais, carrega um passado sombrio – durante 60 anos, foi assombrada por um fantasma conhecido como Yuuko, uma jovem que morreu misteriosamente no porão do antigo prédio da escola. Sem memória de sua vida ou morte, Yuuko discretamente encontra e dirige o Clube de Investigações Paranormais em busca de respostas. Um encontro casual leva Yuuko a se apegar ao diligente calouro Teiichi Niiya, que pode ver o fantasma peculiar. Eles rapidamente se aproximam e ele decide ajudá-la. Junto com Kirie Kanoe, parente de Yuuko, e a distraída segundanista Momoe Okonogi, eles se aprofundam nos infames Sete Mistérios da célebre escola. Tasogare Otome x Amnésiaconta uma história única de estudantes que trabalham juntos para esclarecer os acontecimentos paranormais de sua escola, ao mesmo tempo que se aproximam da verdade por trás da morte de Yuuko.