Em 1973, após a implacável Guerra Lunar que durou seis anos, as espécies alienígenas hostis conhecidas como BETA – Seres de origem extraterrestre que são adversários da raça humana – invadiram a Terra, matando milhares de milhões e dizimando a Eurásia. Embora o BETA possa ser destruído com armas convencionais, sua classe laser é capaz de destruir frotas inteiras de aeronaves, forçando a humanidade a desenvolver trajes de combate gigantes chamados Tactical Surface Fighters para combatê-los. Quando o BETA chega ao Japão em 1998, Yui Takamura, estudante da escola militar e piloto da 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 um rastro de destruição. No entanto, este encontro deixa Yui determinada a nunca mais permitir que algo assim aconteça. Três anos depois, agora tenente, Yui se junta ao projeto XFJ, um programa de desenvolvimento TSF nipo-americano com sede no Alasca. Em uma equipe internacional composta pelo não cooperativo piloto de testes nipo-americano Yuuya Bridges e vários eishi de países perdidos para o BETA, a tarefa de Yui é ajudar a desenvolver o novo TSF japonês Shiranui. Em meio às tensões políticas herdadas da Guerra Fria, Alternativa Muv-Luv: Eclipse Total segue a delicada missão de Yui e a jornada de Yuuya para superar os demônios do passado que ainda o assombram.
