Cốt truyện của Rewrite xoay quanh nhân vật chính Tennouji Kotarou, một nam sinh cao trung đang sống ở thành phố Kazamatsuri, và câu chuyện khởi đầu từ ngày 3 tháng 10 năm 2010 trên Mặt Trăng. Kotarou thích tìm hiểu về các loài động vật bí ẩn chưa được biết đến sống trong hoặc gần khu rừng ở Kazamatsuri, đồng thời dành thời gian bên năm cô bạn cùng thuộc câu lạc bộ nghiên cứu những điều huyền bí của trường: Kanbe Kotori, Ohtori Chihaya, Nakatsu Shizuru, Konohana Lucia và hội trưởng câu lạc bộ Senri Akane. Các thành viên câu lạc bộ trải qua những tháng ngày vui tươi, thanh bình, cùng nhau khám phá những bí ẩn siêu nhiên của thành phố Kazamatsuri. Bên cạnh đó, quá khứ đau đớn và thân phận thật sự của các nữ chính cũng được hé lộ.