El fundador del laboratori d'artefactes del futur, Rintarô Okabe, i la seva amiga de la infantesa i membre del laboratori, Mayuri Shiina, es dirigeixen a una conferència sobre màquines del temps. Enmig de la conferència, l'Okabe coneix una noia que afirma haver parlat amb ell 15 minuts abans. Al cap de poc, apareix morta.

L'Okabe no pot creure que la noia que va veure morta sigui davant seu fent una conferència. És la Kurisu Makise, una investigadora neurocientífica. Per internet, l'Okabe coneix algú que es fa dir John Titor, l'home que l'any 2000 va fer rebombori autoproclamant-se viatger en el temps, però que ara sembla que ningú recorda excepte l'Okabe. Al laboratori, els experiments amb el telèfon microones continuen donant resultats estranys: transforma bananes en gelatina: gelananes.

L'Okabe i en Daru reben la visita inesperada de la Kurisu Makise al laboratori. Tot i les picabaralles inicials entre l'Okabe i la Kurisu Makise, ella accepta formar part del laboratori, i tots tres intenten reproduir un esdeveniment inusual. El resultat, el telèfon microones és capaç d'enviar missatges al passat. Aquest fet trasbalsa la Kurisu, però també els porta a investigar la SERN i a descobrir part de l'agenda oculta d'aquesta organització científica.

La recerca de l'Okabe i en Daru dona fruits i els porta a descobrir un fet inesperat i tètric en relació amb els experiments científics de la SERN. Però un estrany codi de programació els para els peus. L'Okabe decideix posar-se en contacte amb John Titor, el viatger del temps. Ell li confirma que l'IBN 5100 és l'únic aparell que pot accedir a informació interna de la SERN. L'Okabe es troba per casualitat la Kurisu, que manifesta reticència a tornar al laboratori. Quan tot semblava perdut, l'Okabe troba l'IBN 5100 en un lloc del tot inesperat.

L'Okabe i la Kurisu transporten l'IBN 5100 cap al laboratori. De camí es troben amb la Suzuha, que treballa al Taller Catòdics Braun. Ella demostra que té una forta aversió a la Kurisu, tot i ser la primera vegada que es veuen. Amb l'IBN 5100 en Daru aconsegueix desxifrar els informes secrets de la SERN i esbrinen quina mena d'experiments sobre viatges en el temps duen a terme des de fa 40 anys.

Al laboratori d'artefactes del futur continuen experimentant amb èxit amb els missatges de correu que envien al passat i que ara anomenen D-mails. La Moeka, que es presenta al laboratori per veure l'IBN 5100, descobreix la mena d'experiments que hi estan duent a terme, i a l'Okabe no li queda més remei que nomenar-la membre del laboratori 005.

L'Okabe i la seva colla modifiquen el telèfon microones per enviar missatges al passat d'una manera més efectiva. Ara comprovaran si poden canviar el passat amb un bitllet de loteria. Malgrat els desacords amb la Kurisu i la Mayuri, l'Okabe hi insisteix i descobreix que ell pot retenir els records després d'haver alterat el passat i haver canviat de línia d'univers. Alertat pels canvis del seu voltant, consulta en Titor, que li posa sobre les espatlles el futur del món.

Tot i l'oposició de la Kurisu, l'Okabe continua fent experiments per comprovar si de debò poden canviar el passat. Però, sorprès, descobreix que arran d'un missatge innocent, un membre del laboratori ha desaparegut. Desconcertat, posa en dubte les teories d'en John Titor i, alhora, cada vegada és més conscient del seu do per retenir records dels passats viscuts en les diferents línies d'univers. Tot d'una, en Luka els fa una petició inusual que sembla impossible d'aconseguir i que els planteja un repte tecnològic.

L'Okabe organitza una taula rodona amb els membres del laboratori i s'adona que, arran dels canvis que s'han produït en el passat a conseqüència dels D-mails, l'IBN 5100 ja no és al laboratori ni tampoc al temple Yanabayashi. En busca de pistes d'on trobar-lo, aniran a veure la Faris, que ha descobert el secret dels D-mails.

La Suzuha li explica a l'Okabe que està buscant el seu pare i que l'endemà tindrà l'oportunitat de retrobar-se amb ell. Mentrestant, l'Okabe rep un missatge enigmàtic que diu que l'estan observant. L'Okabe, veient que la Suzuha no torna de la trobada amb el seu pare, decideix enviar un D-mail.

El laboratori d'artefactes del futur pot anar un pas més enllà amb els D-mails i el telèfon microones: transportar records al passat. D'altra banda, la Suzuha adverteix a l'Okabe que la Kurisu és una espia de la SERN. Al final, la Kurisu decideix explicar a l'Okabe què l'atura; però com a científica, decideix continuar amb el projecte. Aquella nit, l'Okabe rep un missatge esfereïdor. I, a més, descobreixen que l'ordinador del laboratori està connectat directament amb la SERN, i no saben quan s'ha produït aquesta connexió.

Tot i haver enllestit la màquina de salts temporals, els contres del projecte fan que es decideixi aturar els experiments i fer pública la troballa. Ja sense el pes dels experiments a sobre, l'equip es reuneix per celebrar l'avinentesa. Això posa cara a cara la Kurisu i la Suzuha, que mantenen una relació tensa. La Mayuri calma les coses fins que en Daru explica a la Suzuha que el seu ordinador està connectat amb la SERN. Al cap de pocs minuts, uns homes armats assalten el laboratori dirigits per algú que coneixen prou bé.

La Moeka ha assaltat el laboratori i ha matat la Mayuri d'un tret. Llavors apareix la Suzuha, que deixa els assaltants fora de combat. La Kurisu activa la màquina de salts temporals que acaba d'enllestir, i l'Okabe retrocedeix fins a unes hores abans de la tragèdia. Intenta buscar la Mayuri per salvar-li la vida, però sembla que la seva mort sigui inevitable.

L'Okabe salta en el temps una vegada i una altra per salvar-li la vida a la Mayuri, però sempre l'acaben matant. Amb la intenció d'evitar que els ataquin, envia un missatge a la Moeka dient que té informació sobre la màquina. La Kurisu endevina que ha saltat en el temps i, després d'escoltar tota la història, decideix ajudar-lo. Tots dos junts elaboren una estratègia per salvar la Mayuri.

La Suzuha revela a l'Okabe i a la Kurisu la seva identitat real i sota quines condicions viu la societat de l'any 2036. I també, el paper clau de la Kurisu i de l'Okabe en el futur. L'únic que pot aturar un règim totalitari seria aconseguir l'IBN 5100. Així, la Suzuha es disposa a viatjar al passat per buscar aquest ordinador antic, però la seva màquina del temps està espatllada. Mentre en Daru mira d'arreglar-la ràpidament, l'Okabe i la Mayuri intenten trobar el pare de la Suzuha amb un pin com a única pista.

L'Okabe rep un avís sobre el pare de la Suzuha. Les coses no surten com esperaven, però mentre enllesteixen el viatge a l'any 1975, la Mayuri descobreix qui és el pare de la Suzuha. Ara la Suzuha ja pot marxar esperançada i amb una voluntat més ferma. Hores més tard, l'Okabe i la seva colla reben una carta de la Suzuha en què els informa dels resultats de la missió i els dona una noticia tràgica que obliga l'Okabe a prendre una decisió dràstica que podria fer que el món canviés i que la Mayuri se salvés.

Les darreres accions tan sols han endarrerit la tragèdia de la Mayuri. Desesperat, l'Okabe consulta la Kurisu i dedueixen que només podran saltar a la línia d'univers beta si obtenen l'IBN-5100. Per fer-ho han d'anul·lar tots els D-mails enviats que han implicat canvis significatius. El primer, el de la Faris. L'Okabe es posa en marxa i, després d'una cadena d'esdeveniments, la Faris li confessa què va posar al D-mail i per què, i li comunica la seva decisió.

El següent D-mail que cal desfer per anar a les línies d'univers beta és el que la Luka li va enviar a la seva mare mentre estava embarassada. En explicar-li que abans era un noi, l'Okabe només aconsegueix fer-li mal. A canvi de tornar a ser un home, ella li demana a l'Okabe que sigui el seu nòvio per un dia.

Per cada D-mail desfet, la mort de la Mayuri s'ajorna un dia, però continua sent inevitable. L'Okabe deixa la Mayuri amb la Kurisu i es posa a buscar la Moeka Kiryû, però acaba descobrint que es va suïcidar el 15 d'agost. Tan aviat com la Kurisu li confirma que la Mayuri és morta, l'Okabe salta en el temps fins a l'11 d'agost per intentar desfer el D-mail i salvar la seva amiga.

La col·laboració de la Moeka permet que l'Okabe rastregi l'IBN 5100 i qui hi ha darrere de les inicials F. B. Però també el porta a descobrir l'autèntica cara d'algú que potser no coneixia tant com es pensava. A més, sorgeix un dilema. Esborrar el primer D-mail de la base de dades de la SERN pot tenir unes conseqüències que el mateix Okabe no s'havia plantejat. Eliminant-lo podria salvar la Mayuri, però pot segar la vida d'una altra persona.

L'Okabe, incapaç de prendre una decisió, acaba abocat a veure morir la Mayuri un altre cop. Després de tornar a saltar en el temps, ell finalment li confessa a la Kurisu les conseqüències de la situació: es veu obligat a triar qui morirà i qui no. Paral·lelament, la Mayuri també està preocupada per l'Okabe i d'alguna manera també està patint les conseqüències d'haver passat per tantes situacions traumàtiques.

Després de buscar la Kurisu per tot arreu, l'Okabe la troba al terrat de l'edifici de Ràdio Kaikan. Es troben en una situació que sembla inevitable: potser s'hauran de dir adeu. La Kurisu ho té clar i demana insistentment a l'Okabe que faci el que calgui per salvar la Mayuri. Ara bé, tot plegat fa que siguin conscients dels seus sentiments. Els admetran? Al final, arriba el moment decisiu. I després, una trucada inesperada que ho remou tot.

Segons la Suzuha, en el futur d'aquesta línia d'univers esclatarà la Tercera Guerra Mundial i hi morirà molta gent. Demana ajuda a l'Okabe, que s'hi nega fins que s'assabenta que, per evitar la guerra, cal salvar la Kurisu i desplaçar-se a l'Steins Gate, l'única línia d'univers que no rep la influència del camp d'atracció. L'Okabe accepta i viatja en el temps amb la Suzuha.