Em 1973, após a implacável Guerra Lunar de seis anos, a hostil espécie alienígena conhecida como BETA — Seres de Origem Extraterrestre que são Adversários da raça humana — invadiu a Terra, matando bilhões e devastando a Eurásia. Embora os BETA possam ser destruídos com armas convencionais, sua classe laser é capaz de eliminar frotas inteiras de aeronaves, forçando a humanidade a desenvolver trajes de combate gigantes chamados Combatentes Táticos de Superfície (TSF) para combatê-los. Quando os BETA alcançam o Japão em 1998, Yui Takamura, estudante de escola militar e piloto de TSF — ou eishi —, recebe a ordem de defender a última linha de defesa de Kyoto com seus colegas de classe. Ao custo de inúmeras vidas humanas e do sacrifício dos amigos de Yui, o Exército Imperial Japonês consegue repelir os invasores, deixando destruição em seu rastro. No entanto, esse encontro deixa Yui determinada a nunca mais permitir que algo assim aconteça. Três anos depois, agora uma tenente, Yui junta-se ao projeto XFJ, um programa de desenvolvimento de TSF com base no Alasca, Japão-Americano. Em uma equipe internacional composta pelo piloto de testes japonês-americano Yuuya Bridges e vários eishi de países perdidos para os BETA, a missão de Yui é ajudar a desenvolver o novo TSF japonês, o Shiranui. Em meio a tensões políticas herdadas da Guerra Fria, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse acompanha a delicada missão de Yui e a jornada de Yuuya para superar os demônios do passado que ainda o assombram.