Plastic Memories se desarrolla en una ciudad de un futuro cercano, en la que los humanos conviven con androides que tienen el mismo aspecto que los humanos y poseen emociones y memoria humanas. SAI Corp, la empresa líder en la producción de androides, ha presentado el Giftia, un nuevo modelo de androide con las cualidades más parecidas a las de los humanos. La vida útil de un Giftia es de 81.920 horas (aproximadamente nueve años y cuatro meses), y si superan su fecha de caducidad, se produce una desintegración de la personalidad, pérdida de memoria y brotes de violencia. Por ello, los empleados del Servicio de Terminales (encargados de recuperar a los androides que están a punto de llegar al final de su vida útil y de borrarles la memoria) deben acudir al propietario de la Giftia y recuperarla. Los asignados al Servicio Terminal trabajan en equipos formados por un humano (llamado "observador") y un Giftia (llamado "tirador"). La historia sigue al protagonista Tsukasa Mizugaki y a una Giftia llamada Isla, que trabajan en la oficina del Servicio de Terminales nº 1 de SAI Corp.