Touhou Seirensen ~ Undefined Fantastic Object — это скролл-шутер, в котором игрок управляет человеческим персонажем и использует снаряды для победы над антагонистами. Любой контакт с вражескими пулями, лазерами или самими противниками приводит к потере жизни. Когда запас жизней игрока иссякает, игра заканчивается. Все предметы на экране собираются при перемещении управляемого персонажа к верхней границе локации.

Активация функции медленного движения притягивает ближайшие предметы прямо к протагонисту, помогая в их сборе во время боя. События Touhou Seirensen ~ Undefined Fantastic Object разворачиваются в земле Генсокё на смене зимы и весны, когда начинает распространяться слух о летающем судне. Протагонистки Рейму Хакурей и Мариса Кирисаме обсуждают свидетельства об этом корабле, по слухам, являющемся сокровищницей с 7 Богами Удачи и огромным состоянием для своего захватчика.

Хотя обе героини изображают недоверие, каждая размышляет о потенциальных выгодах от подобного объекта. Появление этого воздушного судна дает старт основным событиям тайтла. Их беседу прерывает появление Санаэ Кочии, интересующейся, почему остальные до сих пор не отправились в погоню. Ее вопрос подтверждает реальность слухов для Рейму и Марисы, ранее сомневавшихся в этом. Санаэ сообщает о своих планах на этот счет и сборе сведений о его предназначении. Затем она указывает на небо, на хорошо видимый объект, побуждая героинь начать восхождение и собственное расследование.