Akademi Swasta Seikyou, dibangun di atas intrik mitos okultisme tradisional, melahirkan masa lalu yang kelam — selama 60 tahun, telah dihantui oleh hantu yang dikenal sebagai Yuuko, seorang wanita muda yang secara misterius mati di ruang bawah tanah gedung sekolah lama. Tanpa memori hidup atau mati, Yuuko diam-diam menemukan dan mengepalai Klub Investigasi Paranormal untuk mencari jawaban.
Sebuah pertemuan kebetulan membawa Yuuko untuk berpegang teguh pada mahasiswa baru yang rajin, Teiichi Niiya, yang dapat melihat hantu aneh itu, mereka dengan cepat menjadi dekat, dan dia memutuskan untuk membantunya. Bersama dengan Kirie Kanoe, kerabat Yuuko, dan Momoe Okonogi tahun kedua yang tidak sadar, mereka mempelajari jauh ke dalam Tujuh Misteri terkenal dari sekolah bertingkat.
Tasogare Otome x Amnesia menceritakan kisah unik para siswa yang bekerja sama untuk menjelaskan kejadian paranormal di sekolah mereka, sementara itu semakin mendekati kebenaran di balik kematian Yuuko.
