Действие Gekkou no Carnevale происходит в городе Бельмонте, похожем на Италию. Представлены технологии конца 19 века, а также Автоматы, механические куклы с ростом человека. Они служат горожанам, выполняя грязную работу. Повествование идет о таксисте по имени Ромео. Ранее он участвовал в организации Орма Росса. Однажды он сталкивается с молодой женщиной-роботом.

Протагонист называет найденную девушку Анной, а после общения он понимает, что у нее амнезия. Они начинают жизнь вместе, но центральный персонаж сталкивается с проблемами и появившейся организацией. Ему потребуется бороться, что защитить собственную жизнь. Механические куклы другой компании стали сильно конкурировать с другими механизмами, из-за чего потребовалось скрываться и исследовать все произошедшие события.

Геймплей представлен в виде визуальной новеллы. Игроку предстоит наблюдать за ключевыми жизненными ситуациями главного героя. В сюжете идет повествование о совместной жизни робота и человека, а также трудностями, способными убить Ромео. Прохождение начинается с опен-сцены, а по мере продвижения пользователь столкнется с разнообразными анимационными вставками, дополнительными сюжетными линиями и тизерами. Решения и выборы напрямую влияют на дальнейшую судьбу истории.