W 1973 roku, w ślad za okrutną, sześcioletnią Wojną Księżycową, Ziemię zaatakowała wroga rasa obcych znana jako BETA — Byty Pozaziemskiego Pochodzenia, które są Wrogami ludzkości. Zabiły miliardy ludzi i zniszczyły Eurazję. Choć BETA można zniszczyć za pomocą konwencjonalnej broni, ich jednostki klasy laserowej są w stanie wyeliminować całe floty samolotów, co zmusiło ludzkość do opracowania gigantycznych kombinezonów bojowych zwanych Taktycznymi Walczącymi Jednostkami Powierzchniowymi (TSF), aby walczyć z nimi. Gdy BETA dotarły do Japonii w 1998 roku, Yui Takamura, uczennica szkoły wojskowej i pilot TSF — czyli eishi — otrzymała rozkaz obrony ostatniej linii obrony Kioto wraz ze swoimi kolegami z klasy. Ceny licznych ludzkich ofiar i poświęcenia przyjaciół Yui, Japońska Armia Cesarska udawała się odparnąć inwazję, pozostawiając po sobie zniszczenie. Jednak to spotkanie sprawiło, że Yui postanowiła nigdy więcej nie dopuścić do czegoś podobnego. Trzy lata później, jako porucznik, Yui dołącza do projektu XFJ, japońsko-amerykańskiego programu rozwoju TSF z siedzibą na Alasce. W międzynarodowym zespole składającym się z niekooperacyjnego japońsko-amerykańskiego pilota testowego Yuuyi Bridges oraz różnych eishi z krajów straconych dla BETA, zadaniem Yui jest pomoc w opracowaniu nowego japońskiego TSF Shiranui. W obliczu napięć politycznych dziedziczonych po Zimnej Wojnie, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse śledzi delikatną misję Yui oraz podróż Yuuyi, aby pokonać demony przeszłości, które nadal go dręczą.