Klonoa: Door to Phantomile é um jogo de plataforma de rolagem lateral visto de uma perspectiva "2. 5D". O jogador move o protagonista, Klonoa, ao longo de um caminho de forma bidimensional, mas o jogo é renderizado em três dimensões. Isso permite que o caminho seguido se curve e que o jogador interaja com objetos fora do caminho.

O jogo se passa em Phantomile, uma terra alimentada por sonhos que as pessoas têm à noite. Um animal antropomórfico chamado Klonoa teve um sonho sobre um dirigível colidir com uma montanha próxima conhecida como Bell Hill, e no dia seguinte um dirigível realmente colide com a montanha. Klonoa e seu amigo, um "espírito do anel" chamado Huepow, decidem investigar. Eles encontram um espírito sombrio chamado Ghadius e seu capanga Joka na montanha em busca de um pingente mágico de lua para que ele possa transformar Phantomile em um mundo de pesadelos, o tempo todo sequestrando a diva Lephise para impedi-la de renovar o mundo com sua "Canção do Renascimento". Depois de uma breve briga, Klonoa encontra o pingente sob um sino e se aventura de volta para sua casa em Breezegale, onde seu zelador, o vovô, diz a ele que a dona da Floresta Forlock, chamada Vovó, sabe sobre o pingente. O pingente é deixado com seu zelador. Klonoa e Huepow viajam até lá para encontrar a Vovó, mas acabam tendo que desviar para o reino de Jugpot para impedir que a água flua para trás, o que foi algo feito por Ghadius para matar a Floresta Forlock. Depois de resgatar a Vovó de Joka, ela conta a eles sobre uma lenda que envolve o pingente, o lendário reino da lua, Ghadius e "o sonho que não é deste mundo". Vovó pergunta onde o pingente da lua está sendo mantido, e Klonoa responde dizendo que o vovô o tem. Joka escuta a conversa e se aventura a roubar o pingente antes que Klonoa possa voltar. Uma vez lá, Joka acaba bombardeando a casa de Klonoa enquanto o vovô está por perto, roubando o pingente depois de fazer isso. Klonoa não consegue chegar ao vovô a tempo e ele acaba morrendo nos braços de Klonoa, mas não antes de dizer a ele para pegar o pingente de volta, o que ele diz ser seu destino. Klonoa fica perturbado com a perda de seu cuidador, mas Huepow o lembra de sua missão. Com a ajuda do peixe voador Pamela, Klonoa e Huepow dirigem-se ao Templo do Sol e confrontam Ghadius no topo, perguntando-lhe sobre a sua motivação em transformar Phantomile num mundo de pesadelos. Ghadius responde dizendo que está motivado por vingança contra aqueles que o baniram. Ghadius desaparece e Klonoa acaba lutando contra Joka. Após a derrota de Joka, o reino da lua, Cress, aparece. Klonoa e Huepow chegam lá com a ajuda de Pamela. Lá, Huepow revela ser o príncipe do reino da lua, dizendo que sua forma de "espírito do anel" era apenas um disfarce. Klonoa continua a ajudar Huepow e eles seguem para Ghadius, a quem eventualmente derrotam. No entanto, uma antiga besta de pesadelo conhecida como Nahatomb, que nasceu usando a diva Lephise como uma bateria viva e os próprios pesadelos de Ghadius, é revivida pouco antes de morrer. Klonoa e Huepow eventualmente derrotam Nahatomb e restauram a paz em Phantomile, com Lephise agradecida por seu resgate. Mais tarde, um Huepow visivelmente culpado finalmente diz a Klonoa a verdade; que ele nunca foi de Fantasma e que todas as memórias que compartilharam juntos antes de sua aventura eram falsas. Klonoa fica perturbado com a notícia e inicialmente pensa nela como uma mentira, mas Huepow reafirma que é a verdade. Huepow então menciona que quando Lephise cantar a Canção do Renascimento, Klonoa não poderá mais ficar em Fantasma. Momentos depois, Lephise começa a cantar, e um vórtice aparece no céu, sugando lentamente Klonoa com força de volta ao seu próprio mundo. Agora percebendo que o vínculo que compartilhavam era realmente real, apesar das memórias fabricadas, Huepow persegue Klonoa e agarra seu Anel de Vento, com o próprio Klonoa agarrado a ele, não querendo deixar Fantasma. Eventualmente, o anel escorrega das mãos de Huepow e Klonoa é levado de volta ao seu mundo natal. O vórtice se fecha e a Fantasma é restaurada ao normal.