Kei Ayamine ist eine zentrale Figur in verschiedenen Zeitlinien. In der friedlichen Welt von Muv-Luv Extra wird sie als stille Delinquentin mit einer freiheitsliebenden und etwas egoistischen Art dargestellt, die es vorzieht, für sich zu bleiben und den Unterricht zu schwänzen, um Zeit auf dem Schuldach zu verbringen. Sie kommuniziert oft mit kurzen, direkten Bemerkungen, um Gespräche abzuwürgen und andere zu necken, und hat eine bekannte Besessenheit von Yakisoba-Brot. In diesem Umfeld hat sie eine besonders antagonistische Beziehung zur strengen Klassensprecherin Chizuru Sakaki und provoziert sie oft zu ihrer eigenen Belustigung.

In den kriegszerstörten Realitäten von Muv-Luv Unlimited und Muv-Luv Alternative ist Kei eine Kadettin in der 207. Ausbildungseinheit, wo sie zur Pilotin eines taktischen Oberflächenjägers ausgebildet wird, einer großen mechanischen Waffe zur Bekämpfung einer außerirdischen Bedrohung namens BETA. Ihre Persönlichkeit bleibt weitgehend konsistent: Sie ist wortkarg und neigt dazu, die Dinge auf ihre eigene Weise zu regeln, was weiterhin zu Reibereien mit Chizuru führt, die ihre Truppführerin ist und sehr starr und vorschriftsmäßig handelt. Kei ist besonders geschickt im Nahkampf, ein Talent, das sie für die Position des Sturmpioniers innerhalb des Trupps gut geeignet macht.

Die Hauptquelle von Keis Konflikten mit Autoritäten und ihren tiefsitzenden Motivationen liegt in der Vergangenheit ihrer Familie. Ihr Vater war ein berühmter Armeegeneral, der während einer Operation in eine ausweglose Situation gezwungen wurde. Um fliehende Zivilisten zu schützen, ließ er seine eigenen Kameraden im Stich, eine Tat, für die er der Fahnenflucht unter Beschuss beschuldigt und unehrenhaft entlassen wurde. Dieses Ereignis brachte Schande über die Familie Ayamine, und Kei kämpft mit dem Glauben, dass ihr Vater ein Verräter war, während sie gleichzeitig hinterfragt, ob er einen triftigen Grund für sein Handeln hatte. Dieses Trauma prägt ihre grundlegende Überzeugung, dass der Dienst unter einem unfähigen Anführer nur zwei schreckliche Optionen lässt: zu fliehen oder vernichtet zu werden. Folglich ist sie sehr kritisch gegenüber Chizurus Führung und gerät oft mit ihr aneinander wegen Chizurus Unflexibilität bei Schlachtplänen.

Keis Rolle in der Geschichte vertieft sich während des Putschbogens in Muv-Luv Alternative erheblich. Es wird enthüllt, dass sie eine vergangene Verbindung zum Rebellenführer Naoya Sagiri hat, der ihrem Vater einst wie ein Sohn war und sie heiraten sollte. Sie hatte ungeöffnete Briefe von ihm erhalten, und sein Aufstand zwingt sie, sich ihren Gefühlen von Schuld und Reue zu stellen, da sie glaubt, dass das frühere Lesen seiner Briefe das Blutvergießen hätte verhindern können. Dieses Ereignis ist ein wichtiger Teil ihrer Entwicklung, da sie beginnt, sich ihren Kameraden zu öffnen und lernt, ihnen ihr Leben anzuvertrauen, und schließlich eine stärkere, respektvollere Freundschaft mit Chizuru entwickelt. Als Pilotin ist sie für ihre Fertigkeit mit dem Typ-94 Shiranui und später dem Typ-00 Takemikazuchi bekannt, spezialisiert auf den Nahkampf, wo ihre Fähigkeiten am effektivsten sind.