Học viện tư nhân Seikyou, được xây dựng dựa trên mưu đồ của những câu chuyện thần thoại huyền bí truyền thống, mang một quá khứ đen tối — trong 60 năm, nó đã bị ám bởi một hồn ma có tên Yuuko, một phụ nữ trẻ đã chết một cách bí ẩn dưới tầng hầm của tòa nhà cũ. Không còn ký ức về cuộc sống hay cái chết của mình, Yuuko kín đáo tìm thấy và đứng đầu Câu lạc bộ Điều tra Huyền bí để tìm kiếm câu trả lời.
Một cuộc gặp gỡ tình cờ khiến Yuuko phải bám lấy cậu sinh viên năm nhất siêng năng Teiichi Niiya, người có thể nhìn thấy hồn ma kỳ quặc, họ nhanh chóng trở nên thân thiết, và anh quyết định giúp cô. Cùng với Kirie Kanoe, họ hàng của Yuuko, và Momoe Okonogi năm hai bị lãng quên, họ đi sâu tìm hiểu về Bảy điều bí ẩn khét tiếng của ngôi trường lâu đời.
Tasogare Otome x Amnesia kể về một câu chuyện độc đáo về những học sinh làm việc cùng nhau để làm sáng tỏ những điều huyền bí xảy ra ở trường của họ, đồng thời tiến gần hơn đến sự thật đằng sau cái chết của Yuuko.