В 1967 году инопланетные существа, известные как BETA, атаковали Землю после уничтожения лунной исследовательской миссии. Эти силы начали захват территорий с целью порабощения человечества. В то время как многие страны оказались под контролем захватчиков, Японии удалось организовать оборону и сохранить суверенитет. В состав вооруженных сил вступила Юи, девушка из рода самураев, которой предстоит участвовать в боевых действиях против инопланетных форм жизни. В ходе конфликта психическое состояние Юи претерпевает изменения, параллельно она находит союзника в лице другого солдата по имени Юе.

Сюжетная арка «Alternative» начинается с того, что главный герой Такеру оказывается в своей комнате спустя три года после событий «Muv-Luv Unlimited». Он воспринимает предыдущий опыт как длительный сон, но осознает временной сдвиг и возвращение в период, предшествующий «Unlimited». Отвергая план под названием «Альтернатива V», Такеру принимает решение содействовать профессору Кодзуки в реализации проекта «Альтернатива IV», направленного на спасение человечества от угрозы BETA. Второй сезон аниме, анонсированный к выходу в октябре 2022 года, продолжает развитие сюжета с участием персонажей из предыдущих частей франшизы.