Menderita serangan asma yang sering terjadi, Anna Sasaki muda adalah seorang yang pendiam, tidak ramah, dan terisolasi dari teman-temannya, menyebabkan orang tua angkatnya 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 tinggal bersama bibi dan pamannya di sebuah kota kecil dekat laut.
Suatu hari saat berjalan-jalan di luar, Anna menemukan sebuah rumah terbengkalai yang dikenal sebagai Rumah Marsh. Namun, dia segera menyadari bahwa kediamannya tidak sekosong kelihatannya, dia 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. Tapi tampaknya ada lebih banyak hal dalam diri gadis aneh itu daripada yang terlihat—saat waktunya di kota hampir berakhir, Anna mulai menemukan kebenaran di balik tembok Rumah Marsh.
Omoide no Marnie menceritakan kisah menyentuh tentang perjalanan seorang gadis muda melalui penemuan jati diri dan persahabatan, serta musim panas yang akan dia ingat seumur hidupnya.
