Trace Memory mengikuti Ashley Mizuki Robbins yang berusia 13 tahun saat ia tiba di Blood Edward Island untuk mencari ayahnya yang telah lama hilang. Cerita berfokus pada pertemuannya dengan hantu bernama D, sementara pemain mengungkap potongan-potongan ingatan yang tertekan melalui percakapan dan pengamatan yang cermat.
Gameplay-nya dibangun di atas eksplorasi point-and-click di mansion pulau yang runtuh dan wilayah di sekitarnya. Game ini memanfaatkan perangkat keras Nintendo DS dengan kuat, meminta pemain berinteraksi memakai stylus, meniup ke mikrofon, dan bahkan menutup sistem itu sendiri untuk menyelesaikan teka-teki lingkungan tertentu.
Game ini memakai gaya visual gambar tangan, dilengkapi potret karakter statis bergaya anime saat dialog. Ritmenya memang sengaja dibuat tenang, dengan penekanan pada suasana, eksplorasi, dan penemuan cerita, alih-alih gameplay yang cepat atau bergantung pada refleks.