地平線の彼方まで夕暮れが続く荒野で目覚める主人公・塚原音子。見知らぬ場所で自分が何者なのか、どうしてここにいるのか想い出せない中、背後に「黄昏ホテル」が現れる。ホテルに入ると、頭が燃えている支配人に出迎えられる。自分が死んでいるのか、生きているのか定かではないことを知り、記憶を取り戻すきっかけを探す音子のもとに、不思議なお客様が現れる。
この世とあの世の狭間に存在する「黄昏ホテル」で働くことを決めた塚原音子。先輩である阿鳥遥斗の指導のもと、奇妙なホテル生活を始める。業務中、博打好きのパチンコ玉頭の宿泊客から、麻雀をしたいと依頼をうけることに。メンツをそろえて客室へ入ると、そこには様々なギャンブルの道具が散乱していた。部屋の片付けをしていると突然、部屋の黒電話が鳴り始めてーー
「黄昏ホテル」での仕事に慣れてきた塚原音子。従業員から認められるよう、来訪者の接客を志願する。チェックインしたお客様はパンジー頭の男で、どこか不気味な雰囲気を醸し出す。客室まで案内し、記憶を想い出す手助けをするべく、部屋の探索を始める。 記憶にまつわる品を調べていくと、現世では医大生で、探偵業をしている大外聖生という人物であることがわかった。
「黄昏ホテル」に、生死が定かではない2人の女性客が来訪する。塚原音子と阿鳥遥斗は客室担当として、頭部が剣道面の女と、スマホ頭の女をそれぞれ案内することに。部屋の家具や小物などを手がかりにし、現世では幼馴染であり同じ高校の剣道部であることが判明する。 客室の変化とともに、現世の記憶を徐々に取り戻す彼女たちは、ホテルに辿り着いた因縁も想い出す――。
音子とルリは、仲睦まじいカップルを客室へ案内する。部屋はオーシャンビューが広がり、その光景を目にした女性は、とある意思に気がつく。探索を続ける中でシンデレラの劇台本を発見し、馴れ初めと名前を想い出す。しかし、生死の行方は不明のままで…。 大外と音子が２人の関係性の違和感について会話をしていると、突如女性の叫び声がホテルに響き渡るーー。
「黄昏ホテル」にロケット頭の少年と黒猫が迷い込む。黒猫と仲良くしたい少年は、館内や部屋の中を追いかけ回すも一向に捕まえられない。一方、黒猫は少年には一切触れさせないが離れず見守っている。そこに宿泊客のレコード頭の男が現れ、落ち込んでいる少年の遊び相手になることに。 少年と戯れるレコード頭の男は、阿鳥が音楽の道を志した憧れのサックス奏者であった。
自室から出てくるルリと出くわす音子。部屋の中を目の当たりにした音子は、現世で起きた事故を知ることに。そこにメリケンサック頭の女がホテルに来訪する。現世の記憶を取り戻すために、部屋の探索を促すも全く興味を示さない……女性の客室を調べてみると、片親で子供を育てていたことが判明する。 ルリは境遇が似ていることから、女と自分の母親を照らし合わせる――
国民的アイドル・365シスターQ（通称：サンキュー）の金子このみが訪れる。音子は、憧れの存在を目の当たりにし胸をときめかせる。他の来客者と違い、金子の顔は異形化しておらず、自身の名前も記憶も覚えていた。食事中、突然食堂に置かれたラジオからサンキューの記者会見が流れ出し、金子の生死の行方を知ることに。 音子は彼女の心残りであった願いを告げられる。
金子このみの願いでもある、幻のソロ曲のライブに向けて演奏メンバー集めに奔走する音子。サックスを担当してもらうため阿鳥へライブ参加のアプローチを何度も試みるも、一向に首を縦に振らない。阿鳥は、過去の経験からどうしても演奏を拒む理由があって…。 果たして無事にライブを開催し金子をあの世へ送ることができるのか？それぞれの想いが交差するーー。
金子このみのライブを無事成功させて、阿鳥と和解した音子。とあることをきっかけに、確信には迫らないものの、現世で起きた事件を不意に想い出す。そんな中、大外がルームサービスに不満を持っていると阿鳥から聞き、不服に感じた音子は単独で客室へ向かう。 部屋の様子が以前とは変わっていたことに疑問を覚え探索を続けると、隠し部屋を発見して…。
大外の隠し部屋から、新たに被害者が記された日記と、大量の現世の阿鳥の写真を見つけた音子。大外が「黄昏ホテル」で何かを企んでいることを確信する。切子から、支配人の部屋に特別な拳銃があることを教えてもらい、大外の計画に抗う覚悟を決める。 阿鳥への執拗なストーキング行為、自分を刺した動機ーー音子は、大外へ現世の執着を問いただす。
交戦の末、拳銃で誤って大外を殺してしまったーー。阿鳥は、地獄の門から出てきた無数の手に連れ去られてしまう。拳銃を盗み、思わぬ悲劇を引き起こしてしまった音子は、支配人からクビを宣言され現世に戻ることに。今まで働いた給料を精算するにあたり、時間で支払われることを知った音子は、ルリから頼みごとを受ける…。 時を遡り現世に戻った音子は、大外との最期のリベンジに挑む。
