En 1973, después de la despiadada Guerra Lunar de seis años, la especie alienígena hostil conocida como BETA (Seres de origen extraterrestre que son Adversarios de la raza humana) invadió la Tierra, matando a miles de millones y diezmando Eurasia. Si bien BETA se puede destruir con armas convencionales, su clase de láser puede acabar con flotas enteras de aviones, lo que obliga a la humanidad a desarrollar trajes de combate gigantes llamados Tactical Surface Fighters (TSF) para combatirlos. Cuando la BETA llega a Japón en 1998, a la estudiante de escuela militar y piloto de TSF, o eishi, Yui Takamura se le ordena defender la última línea de defensa de Kioto con sus compañeros de clase. A costa de innumerables vidas humanas y el sacrificio de los amigos de Yui, el Ejército Imperial Japonés logra repeler a los invasores, dejando destrucción a su paso. Sin embargo, este encuentro deja a Yui decidido a nunca más permitir que algo así ocurra. Tres años más tarde, ahora como teniente, Yui se une al proyecto XFJ, un programa de desarrollo TSF japonés-estadounidense con sede en Alaska. En un equipo internacional compuesto por el piloto de pruebas japonés-estadounidense que no coopera, Yuuya Bridges, y varios eishi de países perdidos en la BETA, la tarea de Yui es ayudar a desarrollar el nuevo TSF Shiranui japonés. En medio de las tensiones políticas heredadas de la Guerra Fría, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse sigue la delicada misión de Yui y el viaje de Yuuya para vencer a los demonios del pasado que aún lo persiguen.