Trace Memory acompanha Ashley Mizuki Robbins, de 13 anos, enquanto ela chega à Blood Edward Island em busca do pai, desaparecido há muito tempo. A história se concentra nos seus encontros com um fantasma chamado D, enquanto o jogador descobre fragmentos de memórias reprimidas por meio de conversas e observação atenta.
A jogabilidade é construída em torno da exploração point-and-click pela mansão em ruínas da ilha e pelas terras ao redor. O jogo faz amplo uso do hardware do Nintendo DS, pedindo ao jogador que interaja com a stylus, sopre no microfone e até feche o próprio sistema para resolver certos quebra-cabeças ambientais.
O jogo utiliza um estilo visual desenhado à mão, complementado por retratos estáticos de personagens inspirados em anime durante os diálogos. O ritmo é intencionalmente cadenciado, com foco em atmosfera, exploração e descoberta da história, em vez de uma jogabilidade acelerada ou baseada em reflexos.