《失忆少女物语》直美（堀北真希饰）是东京国际学校的高中生，因为一次不料，她从台阶上跌落，除了身受皮肉之苦，还失去了过去四年的记忆，唯一铭刻的是她曾经与人接吻的画面。因为这样的记忆碎片，总是隐约出现，以至于她开始与实际中的人对号入座。渐渐地，那个模糊的身影被锁定在三个男人身上：包括亲切的学长（松山健一饰）、慈爱的同窗（手越佑也饰）以及美国留学生（安东•尤金AntonYelchin饰）。直美于是开始对这三个男人分别示好，希望从蛛丝马迹中寻找到真爱的讯号。然而，阴错阳差，总是不能如愿，记忆中的影子与现实中的爱侣似乎总是差了一些，难以对接。一次偶然的机会，直美取回了丢失四年的记忆，她这才如梦初醒，赫然发现原来自己真心爱的是他……