《黄昏乙女·失忆》围绕着就读于月之森学园的新谷贞一展开。贞一偶然进入了校园的旧校舍，在这里他遇到了幽灵少女庚夕子。夕子失去了生前的记忆，徘徊在校园中。贞一决定帮助夕子找回记忆，由此二人开始了一段奇妙的校园冒险。 在寻找记忆的过程中，贞一和夕子遇到了各种各样的灵异事件和神秘人物。他们结识了夕子的好友荻原沙织，沙织也加入到帮助夕子的行列。随着调查的深入，他们逐渐揭开了校园里隐藏的秘密，也发现了夕子死亡背后的真相。 这部动画将校园生活与灵异元素巧妙融合，既有紧张刺激的灵异情节，又有温馨搞笑的日常互动。贞一和夕子之间的情感也在相处中逐渐升温，他们的故事充满了奇幻色彩和青春气息。