《黄昏少女×失忆》以创校60年以上的传统学校“私立诚教学园”为舞台。私立诚教学园建立在一座小山上俯瞰著整个城市，不过学园自创立以来，以“旧校舍的幽灵”为首的各式各样鬼怪故事和城市传说在学生之间流传。有一天，在校生新谷贞一遇见穿着现在已被停用的黑水手服的不可思议的女学生。那位女学生称自己正是“旧校舍的幽灵”夕子，并希望贞一协助她找出自己的死因与真相。等待他们的究竟是如何的未来呢？