ในปีพ.ศ. 2516 ภายหลังสงครามดวงจันทร์ที่โหดร้ายยาวนานหกปี เผ่าพันธุ์ต่างดาวที่เป็นศัตรูที่รู้จักกันในชื่อเบต้า ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตจากนอกโลกที่เป็นศัตรูของเผ่าพันธุ์มนุษย์ ได้รุกรานโลก สังหารผู้คนไปหลายพันล้านคน และทำลายดินแดนยูเรเซียจนสิ้นซาก ในขณะที่ BETA สามารถทำลายได้ด้วยอาวุธทั่วไป แต่อาวุธเลเซอร์ของพวกมันกลับสามารถทำลายฝูงเครื่องบินทั้งหมดได้ ทำให้มนุษยชาติต้องพัฒนาชุดรบขนาดยักษ์ที่เรียกว่า Tactical Surface Fighters (TSF) เพื่อต่อสู้กับพวกมัน
เมื่อ BETA มาถึงญี่ปุ่นในปี 1998 นักเรียนทหารและนักบิน TSF หรือ เออิชิ ยูอิ ทาคามูระ ได้รับคำสั่งให้ปกป้องแนวป้องกันสุดท้ายของเกียวโตร่วมกับเพื่อนร่วมชั้นเรียนของเธอ ด้วยการสูญเสียชีวิตมนุษย์จำนวนนับไม่ถ้วนและการเสียสละเพื่อนของยูอิ กองทัพจักรวรรดิญี่ปุ่นสามารถขับไล่ผู้รุกรานได้สำเร็จและทิ้งความหายนะไว้เบื้องหลัง อย่างไรก็ตาม การเผชิญหน้าครั้งนี้ทำให้ยูอิมุ่งมั่นที่จะไม่ยอมให้เรื่องแบบนี้เกิดขึ้นอีก
สามปีต่อมา ตอนนี้ ยูอิ เป็นร้อยโทแล้ว และได้เข้าร่วมโครงการ XFJ ซึ่งเป็นโครงการพัฒนา TSF ของญี่ปุ่น-อเมริกาที่ตั้งอยู่ในอลาสก้า ในทีมนานาชาติที่ประกอบด้วยนักบินทดสอบชาวญี่ปุ่น-อเมริกันที่ไม่ให้ความร่วมมืออย่าง Yuuya Bridges และ eishi จากประเทศต่างๆ ที่แพ้ให้กับ BETA ภารกิจของ Yui คือการช่วยพัฒนา TSF Shiranui ลำใหม่ของญี่ปุ่น ท่ามกลางความตึงเครียดทางการเมืองที่สืบทอดมาจากสงครามเย็น Muv-Luv Alternative: Total Eclipse ติดตามภารกิจอันละเอียดอ่อนของ Yui และการเดินทางของ Yuuya เพื่อเอาชนะปีศาจจากอดีตที่ยังคงหลอกหลอนเขา
