ピアノが鳴り響く音楽学校。聴く者全てを惹きつける見事な旋律を奏でるのは少し影のある少女、アリスだ。人と交わろうとしない彼女だが、好奇心の強いサニア、優しいロザリアと出会い、徐々に変化が訪れる。
空から一人の幼い女の子が落ちてくる。記憶を失くしていたが、黒の紳士がDeemoということはなぜか知っていた。Deemoがつま弾くピアノの旋律に誘われるように、少女は「アリス」という自分の名前を思い出す。そこには、彼女を優しく見守るぬいぐるみのミライ、クルミ割り人形のくるみ割り、フワフワと宙に浮く匂い袋がいた。
ピアノの音色で成長する木が天窓まで届けば元の世界に帰ることができるのではと考えたアリスたちは、城に隠された楽譜集めを始める。そこでアリスは表情を隠した仮面の少女と出会う。「あなたなんて、嫌い」と言う仮面の少女とアリスの関係は？
仲間たちとの楽譜集めの冒険。仮面の少女の心。そしてDeemoという存在の謎。時にアリスの頭をよぎる桜並木。
途中で止まる記憶の旋律――。
過去・現在・未来に大きな波紋を広げる音色が、次第にアリスの記憶の扉を開いていく。

原作：Rayark Inc.「DEEMO」
総監督：藤咲淳一
監督：松下周平
副監督：平峯義大
脚本：藤咲淳一、藤沢文翁
キャラクターデザイン：めばち
イメージボード：吉田ヨシツギ
美術：小倉宏昌　
美術設定：吉田大洋
色彩設計：片山由美子
CGディレクター：三階直史
CGI：レイルズ　
撮影監督：江面久　
グレーディング：齋藤瑛　
編集：村上義典　
音響監督：明田川仁　
音響制作：マジックカプセル　
主題歌制作：梶浦由記　
主題歌：Hinano「nocturne」(PONY CANYON)　
制作：SIGNAL.MD、Production I.G　
製作・配給：ポニーキャニオン

竹達彩奈
濱田岳
イッセー尾形
渡辺直美
丹生明里（日向坂46）
鬼頭明里
佐倉綾音
松下洸平
山寺宏一