新谷貞一は偶然たどりついた旧校舎で不思議な雰囲気を纏う少女、庚夕子と出会う。彼女は自分を“旧校舎の幽霊”だと言う。自分の過去を思い出せない夕子のため、貞一と夕子は怪異調査部を立ち上げ、学園で語り継がれる数々の怪異を解き明かしていく…。

「黄昏乙女×アムネジア」は、学校の怪談が少女の姿で訪れる幽玄浪漫譚です。物語は、幽霊少女の怪異に挑むミステリアスな展開となります。前半はラブコメ、お色気、ホラーなど様々な要素が織り交ぜられた明るい雰囲気で進行しますが、徐々にシリアスさを増していきます。後半からはアニメオリジナルの展開となり、視聴者を引き込むストーリーが展開されます。