Time Hollow folgt Ethan Kairos, einem Jungen, der einen seltsamen Stift findet, der Löcher in der Zeit öffnen kann. Als seine Eltern verschwinden, muss er Ereignisse aus der Vergangenheit neu schreiben, um seine Zeitlinie wieder in Ordnung zu bringen.
Das Gameplay konzentriert sich auf das Erkunden von Orten und darauf, mit dem Touchscreen des Nintendo DS Kreise zu zeichnen, um zeitliche Risse zu formen. Durch diese Öffnungen können Spieler vergangene Ereignisse beobachten und Gegenstände in sie legen, um zu verändern, was in der Gegenwart geschieht.
Das Spiel legt starken Wert auf Dialoge und verzweigte Handlungspfade. Der Fortschritt hängt davon ab, die richtigen Hinweise zu finden und den Hollow Pen im passenden Moment einzusetzen, um Hindernisse zu überwinden.