Time Hollow suit Ethan Kairos, un garçon qui découvre un étrange stylo capable d’ouvrir des brèches dans le temps. Lorsque ses parents disparaissent, il doit réécrire des événements du passé pour remettre sa ligne temporelle en ordre.
Le gameplay met l’accent sur l’exploration des lieux et sur le tracé de cercles sur l’écran tactile de la Nintendo DS afin de former des failles temporelles. À travers ces ouvertures, les joueurs peuvent observer des événements passés et y placer des objets pour modifier ce qui se produit dans le présent.
Le jeu accorde une grande importance aux dialogues et aux embranchements narratifs. La progression repose sur la découverte des bons indices et sur l’utilisation du Stylo Hollow au moment opportun pour franchir les obstacles.