Auf einer Zeitreise-Tagung begegnet Wissenschaftler Rintarō Okabe einer Frau, die behauptet, sie wären sich 15 Minuten zuvor begegnet. Dann wird sie brutal ermordet.

Okabe wird von einer angeblichen Zeitreisenden aufgesucht und führt einen ersten erfolgreichen Test seiner Mikrowellen-Zeitmaschine durch – an einer Banane.

Okabe erfährt, dass seine Mikrowelle Nachrichten in die Vergangenheit senden kann. Als er sich in das SERN-Netzwerk hackt, stößt er auf ein schockierendes Geheimnis.

John Titor teilt Okabe mit, dass er die SERN-Dateien nur mit einem IBN 5100-Computer vollständig dekodieren kann, ein seltenes Modell, das nur schwierig zu finden ist.

Okabe deckt grausame Einzelheiten zu den Zeitreiseexperimenten von SERN auf und wird von Suzuha vor Kurisu gewarnt.

Okabe experimentiert mit dem Versand von Textnachrichten in die Vergangenheit, sogenannten „D-Mails“. Moeka erfährt, was wirklich hinter Okabes Arbeit steckt.

Als Okabe mit einer D-Mail erfolgreich die Zeit verändert, führt dies dazu, dass Titor glaubt, Okabe könne die Welt vor einer dystopischen Zukunft retten.

Okabe experimentiert weiter, was zu Verschiebungen der Weltlinien führt, an die nur er sich erinnert, und zum Versuch, Ruka als Frau wiedergeboren werden zu lassen.

Aufgrund einer der Weltlinien-Verschiebungen verschwindet der wichtige IBN 5100-Computer, während eine andere die physischen Eigenschaften der Stadt verändert.

Okabe erhält eine bedrohliche Textnachricht. Suzuha, die ihren Vater nicht finden kann, kehrt nach Hause zurück, ohne sich zu verabschieden.

Ein Fernseher im Reparaturgeschäft ist mit der Fähigkeit zum Senden von D-Mail verknüpft. Kurisu nimmt an, damit könnten Erinnerungen durch die Zeit gesendet werden.

Kurisu stellt ihre neue Zeitmaschine fertig, die Erinnerungen in die Vergangenheit senden kann. Suzuha befürchtet, ihr Schicksal sieht vor, dass sie SERN-Agentin wird.

Okabe nutzt die Zeitmaschine, um den Mord an Mayuri zu verhindern, erfährt aber schnell, dass die Mission nicht so einfach ist, wie er gedacht hat.

Okabe ist zutiefst betrübt, weil er Mayuri nicht retten konnte. Kurisu erklärt, dass dies unmöglich sein könnte, und Suzuha macht eine erstaunliche Entdeckung.

Suzuha enthüllt, wie SERNs Plan bis 2036 zu einem totalitären System führen wird. Okabe und der Rest des Teams machen sich auf die Suche nach Suzuhas Vater.

Okabe findet Suzuhas Vater, doch führt sein Versuch, sie wiederzuvereinigen, zu einer Tragödie. Er macht sich sofort auf, sie mithilfe der Zeitmaschine zu korrigieren.

Als er entdeckt, dass Mayuri immer noch zum Sterben verdammt ist, arbeitet Okabe mit Kurisu daran, die Wirkung der D-Mails aufzuheben, die die Zeit verändert haben.

Okabe will Ruka davon überzeugen, dass sie ursprünglich männlichen Geschlechts war und Mayuri nur durch Rückgängigmachen der D-Mails gerettet werden kann.

Okabe entdeckt, dass Moeka Selbstmord begangen hat. Er versucht, die Tat mithilfe von D-Mails rückgängig zu machen, wodurch sich Moeka verraten fühlt.

Okabe hofft, Kurisu am Leben zu halten, indem er nicht mit dem IBN 5100 hackt. Doch er muss erkennen, dass entweder sie oder Mayuri in der Beta-Weltlinie sterben muss.

Kurisu überzeugt Okabe davon, sie sterben und Mayuri leben zu lassen. Als Okabe die Telefonmikrowelle zerstört, erhält er eine wichtige Nachricht von Suzuha.

Okabe reist mit Suzuha bis zum Moment direkt vor Kurisus Tod in der Zeit zurück. Sie werden Zeugen des Zeitmaschinen-Wettrüstens und des Beginns des 3. Weltkriegs.

Okabe erbringt ein persönliches Opfer, um die Weltlinien zu korrigieren und das Leben seiner Partner zu retten.