В CosmoDreamer юная Му Юмэгири замечает, как дети её родного города улетают прямо в ночное небо. Движимая любопытством и внезапно обретённой способностью летать, она устремляется вслед за ними. Так начинается её долгое путешествие по вселенной, где ей предстоят столкновения с противниками и различные преграды. В пути она также встречает новых друзей и переживает горечь расставаний. Сюжет повествует о попытках героини разобраться в происходящих странных событиях и узнать конечную цель этого загадочного полёта.

Геймплей в CosmoDreamer представляет собой шквальный шутер с видом сверху. В его основе лежит система Dream Level, отвечающая одновременно за нападение и оборону. Геймеры пополняют специальную шкалу Dream Gauge, подбирая на уровнях особые предметы. Полностью заполненная шкала позволяет активировать мощный приём Dream Magic. Кроме того, этот ресурс помогает исправлять допущенные ошибки во время плотного обстрела, давая необходимый шанс на выживание в сложных ситуациях.

Игроку доступна гибкая настройка навыков главной героини, позволяющая создавать свыше 81 комбинации умений под собственный стиль. Проект предлагает три стандартных уровня сложности и четвёртый, предназначенный для наиболее опытных геймеров. Продвижение по сюжету линейно: успешное прохождение одного этапа открывает доступ к следующему. Отдельный режим Trial Mode — это испытание, оформленное по классическим аркадным правилам. Открываемые иллюстрации в галерее полнее раскрывают мир этой необычной игры.