Trace Memory volgt Ashley Mizuki Robbins, een 13-jarig meisje dat naar Blood Edward Island komt op zoek naar haar lang verloren vader. Het verhaal draait om haar ontmoetingen met een geest genaamd D, terwijl spelers via gesprekken en nauwkeurige observatie stukjes onderdrukte herinneringen ontrafelen.
De gameplay draait om point-and-click-verkenning door het vervallen landhuis op het eiland en het gebied eromheen. De Nintendo DS-hardware wordt daarbij sterk benut: spelers moeten met de stylus werken, in de microfoon blazen en zelfs het systeem zelf dichtklappen om bepaalde omgevingspuzzels op te lossen.
De game gebruikt een handgetekende visuele stijl, aangevuld met statische, door anime geïnspireerde personageportretten tijdens dialogen. Het tempo is bewust rustig, met de nadruk op sfeer, verkenning en het ontdekken van het verhaal in plaats van snelle actie of op reflexen gebaseerde gameplay.