Trace Memory sigue a Ashley Mizuki Robbins, de 13 años, cuando llega a la isla Blood Edward en busca de su padre, al que no ve desde hace mucho tiempo. La historia se centra en sus encuentros con un fantasma llamado D, mientras los jugadores van descubriendo fragmentos de recuerdos reprimidos a través de conversaciones y de una observación minuciosa.
La jugabilidad se basa en la exploración point-and-click por la mansión en ruinas de la isla y por los terrenos que la rodean. Aprovecha mucho el hardware de Nintendo DS, y pide al jugador interactuar con el stylus, soplar en el micrófono e incluso cerrar la propia consola para resolver ciertos puzles del entorno.
El juego utiliza un estilo visual dibujado a mano, complementado por retratos estáticos de los personajes inspirados en el anime durante los diálogos. Su ritmo es deliberadamente pausado, con énfasis en la atmósfera, la exploración y el descubrimiento de la historia, más que en una jugabilidad rápida o basada en reflejos.