Menderita serangan asma yang sering, Anna Sasaki muda menjadi pendiam, tidak mudah bergaul, dan terisolasi dari teman-temannya, yang menyebabkan orang tua asuhnya khawatir tanpa henti. Atas rekomendasi dokter, Anna dikirim ke pedesaan, dengan harapan udara yang lebih bersih dan gaya hidup yang lebih santai akan meningkatkan kesehatannya dan membantu menjernihkan pikirannya. Terlibat dalam hasratnya untuk membuat sketsa, Anna menghabiskan hari-hari musim panasnya dengan tinggal bersama bibi dan pamannya di sebuah kota kecil dekat laut. Suatu hari saat berkeliaran di luar, Anna menemukan sebuah rumah besar terbengkalai yang dikenal sebagai Marsh House. Namun, dia segera menemukan bahwa tempat tinggal itu tidak sepi seperti yang terlihat, dan bertemu dengan seorang gadis misterius bernama Marnie. Sikap Marnie yang ceria perlahan mulai menarik Anna keluar dari cangkangnya saat dia kembali malam demi malam untuk bertemu dengan teman barunya. Namun tampaknya ada lebih banyak hal tentang gadis aneh itu daripada yang terlihat—saat waktunya di kota itu hampir berakhir, Anna mulai menemukan kebenaran di balik tembok Marsh House. Omoide no Marnie menceritakan kisah mengharukan tentang perjalanan seorang gadis muda dalam menemukan jati dirinya dan persahabatan, serta musim panas yang akan ia ingat sepanjang hidupnya.