1973 yılında, altı yıl süren amansız Ay Savaşı'nın ardından, BETA (Beings of Extra Terrestrial origin which are Adversary of the human race) olarak bilinen, insanlık ırkına düşman olan bir uzaylı türü Dünya'yı işgal eder. Milyarlarca insanı öldürür ve Avrasya'yı yerle bir eder. Geleneksel silahlarla yok edilebilseler de, BETA'nın Lazer türü birimleri tüm uçak filolarını yok edebilme potansiyeline sahiptir. Bu kadar büyük bir güce karşı koyabilmek için insanlık, Taktiksel Yeryüzü Savaşçıları (TYS) adı verilen dev savaş ekipmanlarını geliştirmek zorunda kalırlar.

BETA 1998'de Japonya'ya ulaştığı zaman, o sırada henüz askeri okul öğrencisi ve TYS pilot eğitimi alan Yui Takamura, sınıf arkadaşlarıyla birlikte Kyoto'nun son savunma hattını korumak zorunda kalırlar. Sayısız insan hayatı ve Yui'nin arkadaşlarının fedakarlığı pahasına Japon İmparatorluk Ordusu işgalcileri püskürtmeyi başarır ve arkalarında büyük bir yıkım bırakır. Ancak bu mücadele, Yui'nin böyle bir şeyin tekrar yaşanmasına izin vermemekte kararlı hissetmesine neden olur.

Üç yıl sonra, artık bir teğmen olan Yui, Alaska merkezli bir Japon-Amerikan TYS geliştirme programı olan XFJ projesine katılır. İşbirliği yapmayı reddeden Japon-Amerikan asıllı test pilotu Yuuya Bridges ve BETA'ya yenilen ülkelerden gelen birçok Eishi'den oluşan uluslararası bir ekip içerisinde Yui'nin görevi, yeni Japon TYS Shiranui'nin geliştirilmesine yardımcı olmaktır. Soğuk Savaş'tan miras kalan siyasi gerilimlerin ortasında, Muv-Luv Alternative: Total Eclipse, Yui'nin hassas görevini ve Yuuya'nın geçmişinden kalan, hâlâ peşini bırakmayan şeytanlarının üstesinden gelme yolculuğunu konu alıyor.