歡迎來到「回憶修理工廠」！
在這裡，我們會修理大家內心痛苦悲傷的回憶
變成美好的回憶……

十歲的琵琵依稀還記得外公的模樣，他是一名厲害的修理匠，也是她在這個世界上唯一的朋友，他還送她一個鐵皮人偶菲力茲與她作伴。但自從外公驟然去世，人偶也被同學弄壞了，傷心欲絕的琵琵卻怎麼也想不起外公過世前後的點點滴滴。為了修好菲力茲，也修復和外公之間的回憶，她跑到外公的工房，沒想到竟踏進了神奇的「回憶修理工廠」。

這間工廠不只修理時鐘、音樂盒等日常用品，還包括這些物品主人的回憶。工廠裡充滿了奇特的人物，廠長滋奇脾氣急躁，白鬍子領班爺頭的手藝精湛，還有早上是少女，中午是大人，晚上變成老婆婆的蕾蒂．蜜絲．蜜賽絲．馬丹姆……聽了琵琵的願望，爺頭同意讓她在工廠裡一邊工作、一邊學習手藝，然後自己把人偶修好。

琵琵在這裡不僅認識了很多新朋友，學會工作的意義，也開始勇於活出自己。然而，琵琵原本生活的世界卻發生了劇烈的變化，有一群「黑色代理人」開始搶奪人們珍貴的回憶。隨著大家漸漸失去回憶，送來工廠修理的物品也越來越少。面對工廠空前的危機，琵琵和朋友們決定挺身而出，展開一場對抗黑色代理人的冒險和戰鬥……