Năm 1973, sau cuộc Chiến tranh Mặt trăng tàn nhẫn kéo dài sáu năm, loài sinh vật ngoài hành tinh thù địch được gọi là BETA — Những sinh vật có nguồn gốc ngoài Trái đất là Kẻ thù của loài người — đã xâm chiếm Trái đất, giết hàng tỷ người và tàn phá Âu-Á. Trong khi BETA có thể bị tiêu diệt bằng vũ khí thông thường, lớp laser của chúng có thể quét sạch toàn bộ phi đội máy bay, buộc nhân loại phải phát triển bộ quần áo chiến đấu khổng lồ được gọi là Máy bay chiến đấu bề mặt chiến thuật (TSF) để chống lại chúng. Khi BETA đến Nhật Bản vào năm 1998, sinh viên trường quân sự và phi công TSF — hay eishi — Yui Takamura được lệnh bảo vệ tuyến phòng thủ cuối cùng của Kyoto cùng với các bạn cùng lớp của cô. Với cái giá phải trả của vô số mạng người và sự hy sinh của những người bạn của Yui, Quân đội Đế quốc Nhật Bản đã đẩy lùi được những kẻ xâm lược, để lại sự hủy diệt trong sự trỗi dậy của nó. Tuy nhiên, cuộc chạm trán này khiến Yui quyết tâm không bao giờ để chuyện như thế này xảy ra nữa. Ba năm sau, bây giờ là một trung úy, Yui tham gia dự án XFJ, một chương trình phát triển TSF của Nhật-Mỹ có trụ sở tại Alaska. Trong một đội quốc tế bao gồm phi công thử nghiệm người Mỹ gốc Nhật bất hợp tác Yuuya Bridges và nhiều eishi khác nhau từ các quốc gia đã thua BETA, nhiệm vụ của Yui là giúp phát triển TSF Shiranui mới của Nhật Bản. Giữa những căng thẳng chính trị kế thừa từ Chiến tranh Lạnh, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse kể về sứ mệnh mong manh của Yui và hành trình của Yuuya để vượt qua những con quỷ trong quá khứ vẫn ám ảnh anh.