Este jogo é um jogo de tiro danmaku vertical, onde dois personagens se envolvem em jogabilidade danmaku dentro de áreas de jogo individuais e separadas (também conhecidas como tela dividida). Ao cumprir certas condições, os jogadores são capazes de desencadear uma variedade de Ataques Mágicos específicos do personagem sobre seus oponentes na tentativa de reduzir seus pontos de vida restantes. No Modo História, o jogador enfrentará nove oponentes, cada um mais capaz do que o anterior. Phantasmagoria of Dim.Dream também possui um Modo de Jogo de Partida onde o jogador pode enfrentar oponentes de IA ou competir contra outros jogadores, bem como assistir a partidas de IA vs. IA.

Enquanto desfruta de uma caminhada matinal tranquila, a donzela do santuário local Reimu Hakurei se depara com algumas ruínas curiosas a uma curta distância do portal do Santuário Hakurei. Como apenas uma pessoa pode entrar nas ruínas - e será bem recompensada por isso - sete personagens se envolvem em uma grande batalha. Quando o vencedor entra nas ruínas, no entanto, eles encontram Chiyuri Kitashirakawa e Yumemi Okazaki, residentes do mundo exterior que vieram para Gensokyo em seu Navio Espacial de Probabilidade. Seus motivos acabam sendo menos do que aceitáveis para a heroína.