自稱是「鳳凰院兇真」的中二病大學生岡部，為了修學分的他與青梅竹馬真由理一同去聽中鉢博士召開的時間機器宣講會。會後聽到慘叫的岡部看到了躺在血泊之中的紅莉栖，在他發出「紅莉栖遇刺」的簡訊給好友橋田後立即感到了不同尋常的異樣感，他所在的世界似乎發生了某些微妙的改變。

出現在自己面前的紅莉栖讓岡部非常吃驚，而橋田卻覺得岡部的妄想症犯了，在講座上天才少女紅莉栖徹底擊敗了岡部的時間機器理論。徹夜調查提託事件的岡部卻沒有找到結果，這件發生在 2000 年轟動一時的話題彷彿從來都沒有發生過，當他用電話微波爐（暫定）做香蕉實驗時奇怪的事情發生了。

突然到來的紅莉栖對於香蕉實驗也產生了疑問，岡部則順勢邀請她加入未來道具研究所，在他們梳理思路後重新實驗，而實驗的結果讓岡部確信了時間機器的理論，看到這些的紅莉栖跑了出去。時間旅行的關鍵是微型黑洞，一直在做此項研究的 SERN 對外發布微型黑洞無法實現，為了明白真相的岡部讓橋田駭進了 SERN 的系統。

駭進 SERN 系統後他們看到了一份程式，為了破解這份程式語言他們必須先得到舊式的電腦 IBN5100，岡部所說的毫無邊際的話讓紅莉栖一時無法相信，在證實 IBN5100 的確可以破解特殊程式語言後紅莉栖找到了岡部。岡部在留未穗那裡得知漆原的神社供奉著 IBN5100，得到了這台電腦的他們將會發掘出怎樣的秘密？

在橋田的改裝下 IBN5100 終於可以運作，被破解的程式語言有著讓他們吃驚的事實，之前 40 年來 SERN 一直在做關於時間機器的實驗，甚至還將這種實驗運用在了人類身上，而死者的樣子就像是岡部他們所作的香蕉實驗一樣。看到這些的岡部不禁大笑起來，他想要搶在 SERN 之前製作出時間機器。

鈴羽不知為何會對紅莉栖露出敵意，當岡部問及時鈴羽卻說和紅莉栖過去並沒有什麼矛盾。香蕉實驗再次成功，紅莉栖在實驗室發出了第三封郵件，剛剛還為實驗成功而喜悅不已的岡部卻又擔心 SERN 會不會對知道了秘密的他們下手。對 IBN5100 執著的萌郁找到了岡部，知道了秘密的她也成為了未來道具研究所的成員。

為了測試改變歷史的方法，岡部發了封郵件給之前的自己，上面寫著彩券的中獎號碼，雖然有些猶豫但岡部還是按下了發送鍵。時空開始了搖晃，反應過來的岡部緊盯著自己的手機，而同伴們卻完全沒有試驗的記憶，現在他所處的世界又發生了微妙的改變，他再次進入了平行世界。

為了確認自己能夠在世界線移動後維持記憶，岡部決定再次移動世界線，但當他向橋田發送第 6 封 D-mail 後世界線卻沒有移動。在萌郁的強烈要求下岡部允許她給4天前的自己發簡訊不要換手機，世界線移動後眾人都失去了對萌郁的記憶，聽到他們談話的琉華也想給過去的母親發簡訊，他想要從男生變成女生。

發送過 D-mail 的琉華並沒有看出什麼變化，但岡部卻發現了許多異樣，在這個世界線裡 IBN5100 根本就沒有被找到，而本被大家忘記的萌郁又回到了記憶裡，在菲利斯發送第 9 封 D-mail 到 10 年前後世界發生了更大的改變，菲利斯死去的父親出現，而整個秋葉原從二次元文化街變成了電器街，岡部意識到他們可能做了無法挽回的事情。

雖然世界發生了變化，但從結果來看人際關係依舊維持正常，在岡部說琉華子是男生時遭到了大家的鄙夷，親測之後才發現琉華子已經變為了女生。岡部得知鈴羽為了尋找父親而參加了「時間機器線下聚會」，並聽從勸告沒有去跟蹤鈴羽，在岡部想要改變過去替鈴羽找回父親時卻收到了「我在看著你哦」的訊息，裡面還附上了詭異的照片。

一樓 42 吋電視偶然起到了飄升機的作用，這使得 D-mail 的發送得以實現，明白了這些的紅莉栖想到了時間跳躍的原理，將自己的意識送回過去變為可能。聽到鈴羽說紅莉栖與 SERN 是一伙的後岡部並沒有過於在意，而紅莉栖向岡部吐露了心聲。在外購物的岡部突然接到了恐嚇的簡訊和照片，橋田也發現 SERN 已經反向追蹤了他們。

時間跳躍的機器已經成功完成，但之前發生的事情讓岡部不想再以身試險，岡部決定將時間機器發表交由相關部門測試。未來道具研究所準備的時間跳躍機器慶祝會上大家都玩得很開心，當聽到未來道具研究所與 SERN 的光纜連接在一起後神情慌張的鈴羽跑了出去，隨後萌郁帶著 SERN 的武裝分子闖入未來道具研究所想要接收時間機器，並且向真由理開槍。

啟動了一樓電視的鈴羽趕了回來，瞬間擊敗了武裝分子的她與萌郁對峙，紅莉栖和岡部趁機發動了時間跳躍機器，記憶的過往在岡部的腦內播放，當他反應過來時真的回到了當天的下午。拚盡全力的他還是無法阻止真由理的死亡，再次返回當天下午後改變了處理事態的方法，但真由理卻又以不同的形式死亡。

無數次返回當天下午的岡部依舊無法阻止真由理的死亡，既便與萌郁無關真由理還是會以其他形式死亡，束手無策的岡部陷入了絕望，彷彿全世界都串通一氣想要殺害真由理一般。無奈的岡部向紅莉栖求助，再次回到時間跳躍機器剛剛完成的時候，讓紅莉栖相信自己來自未來後兩人一起尋找致使真由理走向死亡的原因，聽到這些的鈴羽走了進來。

鈴羽就是岡部一直聯繫的提托，而她來自被 SERN 統治的 2036 年。絕望的未來讓岡部等人非常吃驚，而想要解救真由理就要從根本上解決問題，那就是消除岡部發出的第一封 D-mail，為此鈴羽必須乘坐時光機器前往 1975 年找到 IBN5100。再次使用時間跳躍回溯到最大限度後岡部讓橋田展開了維修時光機器的工作，而其他人則幫助鈴羽尋找父親。

在大家調查鈴羽父親的這段時間裡，橋田終於在 13 號下午修好了時間機器，而根據真由理的推測鈴羽的父親就是橋田。短暫的告別後鈴羽乘坐時光機器返回到 1975 年，而期待的岡部等人收到的卻是鈴羽的遺書，行動失敗致使世界線沒有轉移。明白失敗原因的岡部發 D-mail 給 2010 年 8 月 9 號的自己別去跟蹤鈴羽，世界線終於開始了轉移。

世界線的改變只是讓真由理的死亡日期從 13 號推遲到 14 號，死亡的事實依舊無法改變，時間跳躍到 13 號下午的岡部再次和紅莉栖商議，他們得出的結論是必須消除所有的 D-mail，讓世界線回到最初的狀態。找到菲利斯的岡部敘述了事情的經過，模糊存在這其他世界線記憶的菲利斯告訴了岡部自己所發 D-mail 的內容，她改變了父親死去的事實。

接下來要消除的就是琉華發送的 D-mail，但當岡部說出琉華在其他世界線裡是男生時卻引起了尷尬的局面，在岡部一籌莫展的時候收到了琉華的訊息。存在其他世界線模糊記憶的琉華相信了岡部的話，但在消除 D-mail 變回男生前琉華希望與岡部正式交往一天，因為在變為男生後就意味著要永久的封閉對岡部的愛慕。

不斷進行時間跳躍的岡部明白，如果沒有把所有的 D-mail 消除真由理的死亡結果便不會改變，而下一封要消除的便是萌郁所發的 D-mail。紅莉栖陪著真由理確認死亡的時間，而前去尋找萌郁的岡部卻發現對方已經自殺，在確定了真由理死亡時間後岡部再次進行時間跳躍，回到了萌郁自殺前的他搶到了對方的手機，但發出「不要換手機」的訊息後世界線卻沒有改變。

真由理和紅莉栖對於岡部來說都是非常重要的存在，回到 β 世界線真由理就會獲救但紅莉栖卻逃脫不了遇刺的結果，想要與命運抗爭的岡部依舊改變不了什麼，沒有消除第一封 D-mail 的他又一次目睹了真由理的死亡。再次進行時間跳躍的他依舊一籌莫展，在紅莉栖的逼問下他終於說出了真相，兩人的討論毫無進展，而岡部在這時接到了真由理的電話。

無數次目睹真由理死亡的岡部已經麻木，但他依舊不能接受犧牲紅莉栖的結果，想要再次進行時間跳躍的岡部被紅莉栖阻止，這樣下去只會讓悲痛加深。相互示愛的兩人在彼此心中都留有深刻的記憶，在紅莉栖的說服下岡部終於下定決心回到β世界線，在橋田入侵 SERN 系統消除第一封 D-mail 後回歸到了 β 世界線，而這真是岡部所期待的世界？

回歸到 β 世界線的岡部等人又遇到了乘坐時光機器而來的鈴羽，為了避免第三次世界大戰他們就必須拯救紅莉栖，而經歷了無數次時間跳躍的岡部卻心存疑慮。真由理的鼓勵讓岡部下定了決心，與鈴羽一起回到紅莉栖遇害當天的他竟然在混亂中誤殺了紅莉栖，就在他面臨崩潰的時候收到了來自 15 年後的自己發來的影片訊息。

之前的失敗是為了成功的準備，根據未來的提示岡部終於找到了拯救紅莉栖的方法，那就是在不改變過去既定事實的基礎上欺騙自己，欺騙世界。再次回到事發當天的他成功的實施了計劃，他用自己的鮮血營造出紅莉栖遇害假象，而中鉢博士所搶的論文也被燒毀，世界終於進入了他所期待的命運石之門。