Pada tahun 1973, setelah Perang Bulan yang berlangsung selama enam tahun yang kejam, spesies alien yang tidak bersahabat yang dikenal sebagai BETA-Makhluk Ekstra Terestrial yang merupakan musuh umat manusia-menyerbu Bumi, menewaskan miliaran orang dan memusnahkan Eurasia. Meskipun BETA dapat dihancurkan dengan senjata konvensional, kelas laser mereka mampu memusnahkan seluruh armada pesawat terbang, memaksa manusia untuk mengembangkan pakaian tempur raksasa yang disebut Tactical Surface Fighters (TSF) untuk memerangi mereka.

Ketika BETA mencapai Jepang pada tahun 1998, seorang siswa sekolah militer dan pilot TSF-atau eishi-Yui Takamura diperintahkan untuk mempertahankan garis pertahanan terakhir Kyoto bersama teman-teman sekelasnya. Dengan mengorbankan banyak nyawa manusia dan pengorbanan teman-teman Yui, Angkatan Darat Kekaisaran Jepang berhasil mengusir penjajah, meninggalkan kehancuran di belakangnya. Namun, pertemuan ini membuat Yui bertekad untuk tidak pernah lagi membiarkan hal seperti ini terjadi.

Tiga tahun kemudian, setelah berpangkat letnan, Yui bergabung dengan proyek XFJ, program pengembangan TSF Jepang-Amerika yang berbasis di Alaska. Dalam tim internasional yang terdiri dari pilot uji coba Jepang-Amerika yang tidak kooperatif, Yuuya Bridges, dan berbagai eishi dari berbagai negara yang kalah dalam BETA, tugas Yui adalah membantu mengembangkan TSF Jepang yang baru, Shiranui. Di tengah ketegangan politik yang diwarisi dari Perang Dingin, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse mengikuti misi rumit Yui dan perjalanan Yuuya untuk mengatasi iblis masa lalu yang masih menghantuinya.