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Après le lycée, Ren Amamiya a des problèmes avec la police, il est étiqueté comme un délinquant juvénile. Dans le cadre de sa probation, il est forcé de commencer à vivre avec Sojiro Sakura, un étranger qui a accepté de l'accueillir. Alors qu'il marche vers sa nouvelle école Shujin Academy, Ren se perd dans un autre monde...

Ren commence sa nouvelle d'étudiant, mais c'est difficile d'être un élève transféré, surtout lorsqu'il arrive avec des bagages apparemment louches. Il rencontre Ryuji, un camarade de classe qui est également isolé, et ils utilisent une application mystérieuse pour entrer dans un monde dans lequel leur professeur de gym, Kamoshida, est un roi sadique.

Pendant qu'il enquête sur Kamoshida, Ren apprend que sa camarade de classe, Ann Takamaki, fait l'objet d'un chantage afin de garder son amie, Shiho Suzui, dans l'équipe de volleyball. Shiho saute du toit de l'école le lendemain de l'abus de Kamoshida, et quand Ren, Ryûji et Yûki Mishima l'affrontent, il menace de les expulser tous les trois. Apprenant que Kamoshida peut être réformé en faisant disparaître son palais, Ren et les autres sécurisent une route d'infiltration vers le « trésor » de Kamoshida. Ann, qui avait par inadvertance suivi les autres dans le Métavers, est encouragée par Ren à se venger de Shiho et éveille son Persona, Carmen. Afin d'obtenir le Trésor de Kamoshida, le groupe envoie une carte de visite à Kamoshida.

En revenant au palais pour voler le trésor de Kamoshida, Ren parvient à recruter l'une des Shadows qui patrouillaient, Pixie, comme l'un de ses Persona. En atteignant le trésor, le groupe est confronté à Shadow Kamoshida, qui se transforme en un puissant monstre. Aidé par Igor, Ren utilise le pouvoir de la fusion pour combiner Arsène et Pixie en un nouveau Persona, permettant à Ryûji de voler le trésor de Kamoshida et de l'affaiblir. Après sa défaite, Shadow Kamoshida se repent sur ses actions et son palais disparaît, ce qui amène le véritable Kamoshida à admettre ses crimes et à se livrer à la police.

La bande décide de continuer à être des voleurs fantômes afin de changer de plus en plus de cœurs tordus, en nommant leur groupe « The Phantoms ». Après que Mishima a mis en place un site de fans pour envoyer des requêtes aux Phantoms, Morgana emmène tout le monde au Mementos, un palais commun partagé par les gens ordinaires et désigné comme étant l'inconscient collectif par Morgana, où ils battent l'ombre d'un harceleur. En révélant qu'il a perdu ses souvenirs, Morgana explique comment il veut atteindre le fond de Mementos, qui se développe selon la renommée des Phantoms, afin d'y retrouver sa forme originelle. Plus tard, le groupe tombe sur un garçon étrange qui suivait Ann.

Yusuke Kitagawa, un étudiant en arts sous la tutelle du peintre Ichiryusai Madarame, demande à Ann d'être le modèle de sa prochaine création. Pendant ce temps, le président du BDE Makoto Nijima se méfie du groupe d'amis de Ren. Remarquant des commentaires sur le Phan-site à propos de Madarame plagiant des œuvres de ses élèves, le gang va au studio de Madarame pour parler avec Yusuke, qui ne montre que de l'admiration pour lui. En supposant initialement qu'ils se sont trompés, le gang découvre que Madarame a son propre palais, où ils apprennent qu'il a l'intention de plagier le travail de Yusuke comme pour ses autres élèves. Alors que Yusuke prétend qu'il laisse Madarame utiliser volontairement son travail, le gang découvre toute l'étendue des crimes de Madarame dénoncé par un de ses anciens disciples, ainsi que les vrais sentiments de Yusuke.

Ayant besoin de changer la cognition de Madarame pour accéder à son palais, Ann distrait Yusuke pendant que Morgane accède à la pièce secrète de Madarame, exposant son plagiat de sa pièce la plus connue, « Sayuri ». Après avoir suivi par inadvertance les autres dans le Palais, Yusuke apprend que Madarame était responsable de la mort de sa mère, l'amenant à réveiller son Persona, Goemon.

Les Phantoms entrent par effraction dans le palais de Madarame pour voler son trésor, seulement pour se retrouver dans un guet-apens. Révélant que son trésor est la Sayuri originale peint par la mère de Yusuke, Madarame est vaincu par la bande de Ren et admet ses crimes dans le monde réel, augmentant la réputation des voleurs.

En attendant leur prochaine cible, Ren essaye un service de maid à l'air douteux, découvrant que son professeur principal Sadayo Kawakami travaille secrètement comme soubrette. Remarquant que Ryûji était dérangé par ses anciens coéquipiers du club d'athlétisme, Ren demande à Kawakami les détails de ce qui s'est passé entre lui et Kamoshida. Apprenant que le nouveau conseiller du club, Yamauchi, a manipulé les joueurs en leur envoyant des rumeurs, Ryuji apprend à contrôler son tempérament et se réconcilie avec le club.

Lors d'une excursion en classe dans une station de télévision, les membres de la bande assistent à une interview avec le jeune détective Gorô Akechi, qui affirme que la capacité des Phantom Thieves à réformer les cœurs pourrait être utilisée pour le mal. Plus tard, Makoto apprend l'identité des Phantom Thieves et les fait chanter avec un enregistrement, déclarant qu'elle ne le supprimera que s'ils réussissent à réformer le cœur d'un chef de crime organisé qui implique des étudiants. En rencontrant la journaliste Ichika Ohya, Ren apprend le nom du patron, Junya Kaneshiro, qui mène le groupe à son palais.

Comme les Phantoms constatent qu'ils ne peuvent pas entrer dans le palais tant qu'il reste en air, Makoto, voulant se prouver utile, se sert d'appât afin de mener le groupe à Kaneshiro, qui leur font du chantage avec une photo incriminante. Maintenant considéré comme une cliente dans la banque de Kaneshiro, Makoto accompagne les autres au Palais de Kaneshiro où elle réveille son Persona, Johanna.

Tout en progressant régulièrement à travers le palais de Kaneshiro, Makoto parvient à se rapprocher du reste du groupe. Alors que la route vers le Trésor est assurée, les Phantoms affrontent Shadow Kaneshiro, profitant de sa faiblesse pour l'argent afin de le vaincre. Avant que le palais ne soit détruit, Kaneshiro informe les voleurs fantômes qu'un homme portant un masque noir est également capable d'entrer dans les palais.

Se trouvant dans une crise artistique, Yusuke demande à Ren d'être son garde du corps alors qu'il s'inspire de Mementos, seulement pour recevoir des critiques sévères sur son œuvre. Pendant ce temps, Akechi demande l'aide de Ren pour trouver des preuves contre un marchand d'art nommé Akio Kawanabe, qu'il croit être dans des pratiques louches. Alors que Yusuke parvient à sortir de sa panne d'inspiration grâce aux encouragements de ses amis, Ren découvre que c'est l'assistant de Kawanabe qui a commis des crimes, permettant à Akechi de l'arrêter. Recevant des éloges pour son nouveau tableau, Yusuke décline le financement de Kawanabe afin de poursuivre son propre espoir.

Tout en faisant un tour de Shinjuki avec Ren, Makoto repère une camarade de classe nommée Eiko qui travaille dans un salon de thé à l'air douteux, et devient son amie grâce à leur goût similaire pour les objets. Préoccupée par le fait qu'Eiko soit victime d'une arnaque de son petit ami escort Tsukasa, Makoto parle à Ren de son père décédé, qui était un policier, et lui demande son aide. Ayant réussi à exposer les mensonges de Tsukasa à Eiko, les Phantoms ont vaincu son Shadow dans le Métavers, tandis que Makoto aspire à devenir une policière comme son père.

Alors qu'un mystérieux groupe de hackers connu sous le nom de Medjed lance un avertissement public aux Phantoms, Ren est contacté par une personne connue sous le nom d'Alibaba, qui menace de révéler les identités des Phantoms à moins qu'ils ne puissent changer le cœur de Futaba Sakura. Lorsqu'ils lui demandent de se rencontrer en personne, Alibaba annule soudainement la demande et sollicite les Phantoms de ne plus enquêter sur Futaba. En apprenant que Futaba est une proche de Sōjirō, qui est lui-même sous la pression de Sae concernant son autorité parentale sur elle, la bande, recevant une menace de Medjed qu'ils vont attaquer le Japon s'ils ne révèlent pas leurs identités, se rend au domicile de Sōjirō et se retrouve nez à nez avec Futaba.

Après que Sōjirō ait surpris le groupe en train de se faufiler dans sa maison, il leur explique que la situation actuelle de Futuba en tant qu'hikikomori vient du fait qu'elle a été témoin du suicide de sa mère et qu'elle a commencé à avoir des hallucinations quelques mois auparavant. Bien qu'il leur demande de ne plus s'impliquer pour Futaba, la bande décide de l'aider et de réformer son cœur après avoir découvert qu'elle a un palais. En visitant Futaba au début des vacances scolaires, ils apprennent qu'elle considère sa maison comme une tombe et qu'elle y mourra à l'intérieur. Le groupe s'infiltre dans le palais de Futaba et prend conscience de la détérioration de son état mental. Après avoir trouvé leur chemin bloqué par la même porte de la chambre de Futaba, ils reviennent dans la réalité et la convainc de les inviter à l'intérieur. Après un peu plus de persuasion, Futaba s'ouvre et demande directement à la bande de la réformer.

Ayant accès au cœur du palais de Futaba, les Phantoms sont confrontés à une perception monstrueuse de la mère de Futaba. Alors que Futaba parvient à entrer dans le palais elle-même, son Shadow l'encourage à se souvenir de l'amour que sa mère lui portait, ce qui l'amène à réaliser que la note de suicide de sa mère a été contrefait afin de lui dérober ses recherches de cette dernière sur la « psience cognitive ». Gagnant le Persona Necronomicon en conséquence, Futaba utilise ses capacités de soutien pour aider les Phantoms à vaincre le monstre. Après avoir mis fin à Medjed comme promis, Futaba demande l'aide de Ren pour savoir qui a tué sa mère et a volé ses recherches.

Avec Futaba faisant maintenant partie de leur groupe, la bande essaie de l'aider à améliorer ses compétences sociales en l'amenant à la plage. Futaba explique ensuite ce qu'elle a appris sur les recherches de Wakaba sur la psience cognitive, les amenant à croire qu'il est lié aux palais du Métavers, aux cas d'arrêt mental et à l'homme au masque noir. Alors que Mementos se développe avec la popularité croissante des Phantoms, Morgana devient incertain quant à savoir s'il est vraiment humain alors qu'Ann est troublée par des problèmes avec son travail de modèle.

Ayant besoin d'informations pour rechercher le coupable derrière les accidents liés au Métavers, la bande demande à Makoto d'extraire les données de l'ordinateur portable de Sae. Le lendemain, presque tout le groupe part en voyage scolaire à Hawaï, où Ren vient en aide à la joueuse de shōgi Hifumi Togo. Pendant ce temps, le directeur du lycée de Shujin, Kobayakawa, est tué après avoir subi un arrêt mental en traversant la rue. Les données de l'enquête de Sae mènent les Phantoms vers Kunikazu Okumura, dont plusieurs accidents psychotiques ont profité à sa société. Malgré le fait que Kunikazu ait un palais, le groupe se divise pour savoir s'il faut le réformer ou non. Décidant de s'infiltrer seul dans le palais, Morgana s'est mis en danger mais il est sauvé par une certaine fille.

La bande infiltre le palais de Kunikazu Okumura et découvre que Morgana fait maintenant équipe avec une fille se nommant « Jolie Voleuse », que Makoto arrive à l'identifier comme étant la fille de Kunikazu, Haru Okumura. Cette dernière explique qu'elle est devenue une voleuse fantôme et s'est associée à Morgana pour découvrir la vérité à propos de son père. Alors que Morgana ne veut toujours pas rejoindre les autres, il se blesse en essayant de protéger Haru de son fiancé violent, Sugimura, incitant les autres à leur venir en aide. Morgana devenant honnête à propos de son désir de rester avec tout le monde, Haru devient elle aussi sérieuse avec ses propres sentiments et rejoint l'équipe, après quoi elle apprend que son père a décidé d'accélérer ses fiançailles avec Sugimura.

Voulant réformer Kunikazu avant qu'elle ne soit forcée d'emménager chez Sugimaru, Haru décide d'aider les Phantoms à progresser plus loin dans son palais, éveillant toute la puissance de sa Persona, Milady. En localisant le trésor, le gang affronte l'ombre de Kunikazu et bat son armée d'employés robotiques. Après que les Phantoms aient été forcés de quitter le palais avant que celui-ci ne s'effondre, une silhouette mystérieuse tue l'ombre de Kunikazu. Ignorant cela, le gang est choqué lorsque Kunikazu meurt soudainement d'un arrêt mental lors d'une conférence de presse.

Alors que l'opinion publique sur les Phantoms s'effondre après la mort de Kunikazu, Haru apprend qu'une fausse carte de visite a été placée dans le bureau de Kobayakawa, amenant le gang à se rendre compte que quelqu'un les a piégés. Tandis que Sae est chargé d'enquêter sur les Phantoms, Futaba en déduit que quelqu'un s'était fait passer pour Medjed et piraté le Phan club pour rendre les voleurs fantômes plus populaires. Plus tard, Ann appelle Ren pour la rencontrer avec Shiho, qui les remercie de lui avoir sauvé la vie et leur rappelle pourquoi ils sont devenus des voleurs fantômes. Après cela, le gang découvre que Mishima est devenu trop obsédé par la renommée qu'il a reçue du Phan club ; trouvant son Shadow dans le Mementos, ces derniers ont choisi de ne pas le détruire, mais l'a incité à réfléchir sur lui-même, aidant ainsi le véritable Mishima à trouver le bon chemin en conséquence.

Les élèves de Shujin votent à l'unanimité pour que Goro apparaisse en tant qu'invité au festival de culture de l'école. Le jour du festival, Goro révèle qu'il connaît l'identité des voleurs fantômes, expliquant par la suite à la bande qu'il a réveillé son propre Persona face à l'homme au masque noir. En proposant d'aider à les couvrir de leurs actions, Goro demande le soutien du gang pour aller reformer Sae.

Alors que le gang tente de trouver un moyen d'atteindre le dernier étage du casino de Sae, Sōjirō, qui a découvert une carte de visite dans la chambre de Futaba, est sous la pression de son oncle qui lui demande de lui payer de l'argent ou bien de renoncer à sa garde. Ren obtient l'aide de Goro pour déterrer les histoires sales de son oncle, mais ce dernier l'accuse de l'avoir poussé. Lorsque les fonctionnaires du gouvernement viennent interroger Sōjirō, Ren et Futaba réussissent à leur assurer que Sōjirō est un bon gardien, après quoi ils ont avoué à Sōjirō être les voleurs fantômes.

Ayant besoin d'une quantité excessive de pièces pour accéder à un pont qui mènera le groupe vers le Trésor, Ren doit gagner de l'argent en combattant dans une arène. Après cela, Sae augmente les frais d'accès du pont, mais Akechi parvient à exploiter une faille dans le système de cartes de paiement du casino pour obtenir le montant total et accéder au pont. Après que les Phantoms ait réussi à vaincre le Shadow de Sae, des ennemis entourent soudainement le palais, ce qui incite la bande à se séparer et à trouver la sortie.

Après une réunion avec Arsène, qui le pousse à se souvenir de tout, Ren est capturé par la police, ce qui a conduit à son interrogatoire par Sae dans le présent. Alors que l'interrogatoire touche à sa fin, Ren, se rappelant d'une discussion importante avec Morgana et Futaba, demande à Sae de montrer son téléphone à Akechi alors qu'il se dirige vers la salle d'interrogatoire. Après être tombé sur Sae et avoir vu le téléphone, Akechi révèle ses véritables intentions et tire sur Ren, en faisant passer cela pour un suicide. Cependant, Ryûji sourit en disant que tout était juste prévu.