《失忆少女物语》讲述了东京国际学校的高中生直美（堀北真希饰）因一次意外从台阶上跌落，不仅受了伤，还失去了过去四年的记忆。唯一残留在她脑海中的，是与某人接吻的画面。这个模糊的记忆让她开始将现实中的人与那个身影对号入座。渐渐地，她将目标锁定在三个男人身上：亲切的学长（松山健一饰）、善良的同窗（手越佑也饰）以及美国留学生（安东•尤金饰）。直美试图通过与他们接触，寻找那段遗失的记忆和真爱的线索。然而，现实与记忆中的影子总是无法完全重合，令她感到困惑。直到一次偶然的机会，直美终于找回了丢失的记忆，恍然大悟，原来自己真正爱的人是……