"Time of Eve" spielt in einer nahen Zukunft, in der humanoide Roboter, sogenannte Androide, alltäglich geworden sind. Diese Roboter sind mit strengen Verhaltensregeln ausgestattet, die sie dazu verpflichten, ihren menschlichen Besitzern zu dienen und sich klar als Maschinen zu identifizieren. Die Geschichte konzentriert sich auf einen kleinen, versteckten Café namens "Time of Eve", in dem sowohl Menschen als auch Androide gleichberechtigt interagieren können, ohne dass ihre wahre Natur offenbart wird. Im Café gelten spezielle Regeln: Diskriminierung aufgrund der Identität ist verboten, und alle Gäste müssen respektvoll miteinander umgehen.

Der Protagonist Rikuo Sakisaka, ein junger Schüler, entdeckt zufällig das Café, als er den ungewöhnlichen Bewegungen seines Familienandroids, Sammy, folgt. Rikuo ist zunächst verwirrt und verunsichert, da er nicht versteht, warum Sammy sich wie ein Mensch verhält. Im Laufe der Zeit besucht er das Café regelmäßig und lernt dort verschiedene Charaktere kennen, darunter Nagi, eine scheinbar freche und selbstbewusste Frau, die sich später als Android entpuppt, und Chie, ein junges Mädchen, das von einem Androiden betreut wird. Durch diese Begegnungen beginnt Rikuo, seine Vorurteile gegenüber Androiden zu hinterfragen, und reflektiert über die Beziehung zwischen Menschen und Maschinen.

Ein weiterer wichtiger Charakter ist Masaki, Rikuos Freund, der ebenfalls das Café besucht. Masaki hat eine komplexe Beziehung zu einem Androiden namens Rina, die er als Kind wie eine Schwester betrachtete. Seine Gefühle sind von Schuld und Verwirrung geprägt, da er nicht weiß, wie er mit der Tatsache umgehen soll, dass Rina eine Maschine ist. Die Interaktionen im Café führen dazu, dass sowohl Rikuo als auch Masaki ihre eigenen Ansichten über Androiden und deren Rolle in der Gesellschaft überdenken.

Die Handlung entwickelt sich durch eine Reihe von Episoden, die jeweils die Geschichten verschiedener Café-Besucher beleuchten. Dabei werden Themen wie Identität, Ethik, soziale Normen und die Grenzen zwischen Mensch und Maschine erkundet. Der Film endet mit einer offenen Note, die den Zuschauer dazu anregt, über die Zukunft der Mensch-Roboter-Beziehungen nachzudenken, ohne eine definitive Antwort zu geben.