Trace Memory begleitet die 13-jährige Ashley Mizuki Robbins, die auf Blood Edward Island ankommt, um ihren seit Langem vermissten Vater zu suchen. Im Mittelpunkt steht ihre Begegnung mit einem Geist namens D, während die Spieler durch Gespräche und genaues Beobachten Bruchstücke verdrängter Erinnerungen aufdecken.
Das Gameplay basiert auf Point-and-Click-Erkundung durch das verfallene Herrenhaus der Insel und das umliegende Gelände. Es nutzt die Hardware des Nintendo DS gezielt aus und fordert die Spieler auf, mit dem Stylus zu interagieren, ins Mikrofon zu blasen und das System sogar selbst zu schließen, um bestimmte Umgebungsrätsel zu lösen.
Das Spiel setzt auf einen handgezeichneten Grafikstil, ergänzt durch statische, vom Anime inspirierte Charakterporträts während der Dialoge. Das Tempo ist bewusst gemächlich gehalten, mit Schwerpunkt auf Atmosphäre, Erkundung und dem Entdecken der Geschichte statt auf rasanter Action oder reflexbasiertem Gameplay.