Koei Tecmo und die  Gust Studios stellten zwei neue Charaktere vor, die eine Rolle in Atelier Sophie 2: The Alchemist of the Mysterious Dream spielen. Zudem gewähren die Macher weitere Einblicke in das Synthesis-System, für das die Atelier-Reihe so beliebt ist. 

Der Titel folgt der liebevollen Alchemistin Sophie Neuenmuller, kurz nach ihren Abenteuer von Atelier Sophie aus Jahr 2016. Sophies unerwartetes neues Abenteuer führt sie bewusstlos in eine geheimnisvolle, traumähnliche Welt namens Erden-Wiege, in der sie von einer unbekannten Person gerettet wird. Die Heldin des Tages heißt Alette Claretie, die davon träumt, einen Schatz zu finden, der nur in Erde-Wiege zu finden ist. Sie ist eine Händlerin, die gefundene Dinge verkauft. Sie ist allerdings auch dafür bekannt, besonders wild und leichtsinnig zu sein. Alette hilft Sophie, sich in der neuen Welt zurechtzufinden und begleitet sie auf der Suche nach ihrer Freundin Plachta, die verschwunden ist.

Sie beginnen ihre Reise am Traumbaum, unter dem Sophie bewusstlos aufgefunden wurde. Das geheimnisvolle Gehölz ähnelt dem Baum, den Sophie und Plachta zuletzt erkundet hatten, bevor sie in Erde-Wiege landeten – aber Plachta ist nirgendwo zu finden. Als Sophie und Alette nach Roytale, der einzigen Stadt in Erde-Wiege, zurückkehren, werden sie von einem Mann namens Olias Enders angesprochen, der sich selbst als "der stärkste ultimative Bodyguard der Welt" bezeichnet. Olias behauptet, ein Mädchen namens Plachta zu kennen und bietet seine Dienste an, um sie zum Atelier am Rande der Stadt zu führen. Doch als das Trio dort ankommt und auf Plachta trifft, scheint Sophie dieses Mädchen überhaupt nicht zu kennen. Wer ist diese neue Plachta und in welcher Beziehung steht sie zu Sophies bester Freundin? Sophie, Alette und Olias sind entschlossen, das herauszufinden.

Während des gesamten Abenteuers müssen die Charaktere ihre Fähigkeiten in der Alchemie einsetzen und verbessern. Atelier Sophie 2 verwendet die aktualisierte Version des Synthesis-Systems aus der Mysterious-Subserie. In Atelier Sophie 2: The Alchemist of the Mysterious Dream werden neue Gegenstände auf der Grundlage der alchemistischen Komponenten erstellt, die auf das Panel gelegt werden. Alchemistische Komponenten sind mit einem Element (Farbe) verbunden: entweder Feuer, Eis, Blitz, Wind oder Licht. Durch die Auswahl von Materialien können verschiedene Effekte erzeugt werden. Leuchtende Komponenten verbinden die Materialien. Wenn Materialien desselben Elements nebeneinander liegen, bilden sie eine Verbindung und je größer die Anzahl der Verbindungen ist, desto bessere Effekte lassen sich erzielen. Um mächtige Gegenstände zu erschaffen, ist es wichtig, die Verbindungen zu kennen und alchemistische Komponenten strategisch zu platzieren.

Im Laufe des Spiels werden auch Katalysatoren und Restricted-Panels zur Verfügung stehen. Die Verwendung von Katalysatoren ermöglicht spezielle Effekte wie der Vergrößerung des Synthesefeldes. Restricted-Panels erschweren den Synthesis-Prozess, ermöglichen aber auch die Herstellung spezieller Effekte.

Sophie und Plachta können außerdem im weiteren Verlauf ihres Abenteuers die besondere Verwendung der Assistenz-Fähigkeit freischalten. Wenn Plachtas Synthese freigeschaltet ist, können jeweils entweder Sophie oder Plachta ausgewählt werden, um bei der Synthese behilflich zu sein. Es gibt einige Rezepte die ausschließlich für Sophie und einige, die nur für Plachta bestimmt sind. Manche dieser Rezepte enthalten wichtige Gegenstände, die für den Fortschritt im weiteren Verlauf des Spiels erforderlich sind. Um die fortgeschrittenen Gegenstände herstellen zu können, müssen die Spieler ihre Stufe als Alchemist erhöhen (Alchemie-Lv.). Es muss ein Gleichgewicht bei der Verwendung von Sophie und Plachtas Fähigkeiten in der Synthese eingehalten werden, um die Alchemie-Level zu erhöhen. Dies ist nötig, um die Geheimnisse hinter diesem mysteriösen Traum zu entschlüsseln.