Trace Memory рассказывает о 13-летней Эшли Мидзуки Роббинс, которая прибывает на остров Блад-Эдвард в поисках давно пропавшего отца. Сюжет сосредоточен на её встречах с призраком по имени D, а игроки постепенно собирают фрагменты подавленных воспоминаний через разговоры и внимательное наблюдение.
Игровой процесс построен на point-and-click-исследовании заброшенного особняка на острове и окрестных земель. Игра активно использует возможности Nintendo DS, предлагая взаимодействовать со стилусом, дуть в микрофон и даже закрывать саму систему, чтобы решать определённые головоломки, связанные с окружением.
В игре используется рисованный визуальный стиль, дополненный статичными портретами персонажей в аниме-стилистике во время диалогов. Темп намеренно размеренный, с упором на атмосферу, исследование и раскрытие сюжета, а не на быстрый или зависящий от реакции геймплей.