Atri: My Dear Moments di adaptasi dari visual novel dengan judul yang sama, tak lama lagi permukaan air di bumi mulai naik dan akan menghilangkan sebagian besar peradaban manusia. Ikaruga Natsuki, merupakan seorang anak laki-laki yang kehilangan ibu dan kakinya dalam sebuah kecelakaan beberapa tahun lalu. Dia pun baru pulang dari perantauan dengan rasa kecewa dari kehidupan yang keras di kota besar dan dia melihat rumah masa kecilnya mulai tenggelam oleh laut. Karena tidak memiliki keluarga sama sekali, yang ia miliki hanyalah kapal serta kapal selam peninggalan neneknya yang merupakan seorang ahli kelautan, serta hutang-hutangnya.

Satu-satunya harapan untuk mengembalikan impian masa depan yang telah hilang adalah dengan mengambil kesempatan yang diberikan oleh penagih utang yang mencurigakan, Catherine. Mereka berlayar untuk mencari reruntuhan laboratorium neneknya yang tenggelam untuk menemukan harta karun yang menurut rumor ditinggalkan di sana. Namun, yang mereka temukan bukanlah harta atau pun perhiasan yang berharga, melainkan seorang gadis aneh yang tertidur di dalam peti mati di dasar laut. Gadis itu bernama Atri dan dia merupakan sebuah robot, tapi penampilan dan emosinya mirip sekali dengan manusia biasa. Sebagai rasa terima kasih karena sudah diselamatkan, Atri membuat janji pada Natsuki: “Aku ingin memenuhi perintah terakhir Masterku. Setelah itu, aku akan menjadi kakimu!”

Di sebuah kota kecil yang perlahan-lahan maulai tenggelam oleh lautan, hari-hari yang tidak terlupakan oleh seorang anak laki-laki dan robot prempuan misterius …