Lors d'une conférence sur le voyage dans le temps, le scientifique Okabe fait la connaissance d'une mystérieuse femme qui prétend lui avoir parlé 15 minutes auparavant.

Okabe reçoit la visite d'une voyageuse temporelle et réalise avec succès l'envoi d'une banane dans le passé en utilisant son incroyable micro-ondes.

Après avoir réalisé que son micro-ondes permettait d'envoyer des textos dans le passé, Okabe découvre un troublant secret en piratant le réseau du SERN.

John Titor révèle à Okabe qu'il n'est pas en mesure de décoder entièrement les fichiers du SERN sans l'aide d'un puissant ordinateur difficile à trouver.

Okabe en apprend davantage sur les terribles expériences du SERN. Suzuha met en garde le scientifique contre Kurisu.

Okabe tente d'envoyer des messages, désormais appelés D-mails, dans le passé, tandis que Moeka découvre la véritable nature de son travail.

Quand Okabe parvient à changer le cours du temps à l'aide d'un D-mail, Titor est convaincu que le scientifique peut sauver la planète de son destin.

Okabe poursuit ses expériences avec les D-mails, entraînant des modifications dont lui seul est capable de se souvenir, tout en tentant de faire renaître Ruka.

Une altération du temps entraîne la disparition de l'IBN 5100, tandis qu'une autre modifie les caractéristiques physiques de la ville.

Okabe reçoit un message de menaces. Incapable de retrouver son père, Suzuha retourne chez elle sans même dire au revoir.

Quand Okabe découvre qu'un poste de télévision permet d'envoyer des D-mails, Kurisu est persuadée que l'objet lui permettra également de faire voyager les émotions.

Kurisu termine sa machine à remonter le temps, capable de faire voyager les émotions. Suzuha craint d'être destinée à devenir une espionne pour le compte du SERN.

Alors qu'il utilise la machine à remonter le temps pour empêcher l'assassinat de Mayuri, Okabe s'aperçoit vite que sa mission est plus compliquée qu'elle n'en a l'air.

Tandis qu'Okabe est bouleversé par son échec, Kurisu doute qu'il puisse un jour sauver la vie de Mayuri. Suzuha fait une révélation surprenante.

Suzuha dévoile les terribles conséquences des projets du SERN. Okabe et les autres membres de l'équipe tentent de retrouver le père de Suzuha.

Okabe retrouve le père de Suzuha, mais le destin s'en mêle. Il décide alors d'utiliser la machine à remonter le temps pour modifier la situation.

En découvrant que Mayuri est toujours destinée à mourir, Okabe tente d'annuler les effets dévastateurs des D-mails, aidé de Kurisu.

Okabe révèle à Ruka qu'elle était initialement un garçon et que seule l'annulation des D-mails l'ayant transformée en fille pourra sauver la vie de Mayuri.

Quand il découvre que Moeka a mis fin à ses jours, Okabe tente de changer le cours des choses à l'aide des D-mails, laissant à Moeka un goût amer.

Okabe parvient à localiser l'IBN 5100 et découvre l'identité de "FB", mais il ne tarde pas à réaliser qu'en récupérant l'ordinateur, il perdra Kurisu.

Espérant sauver la vie de Kurisu, Okabu décide de ne pas pirater l'IBN 5100. Mais dans la version bêta du monde, il devra choisir entre Kurisu et Mayuri.

Kurisu tente de convaincre Okabe de la laisser mourir et de sauver la vie de Mayuri. Alors qu'il détruit son micro-ondes, Okabe reçoit un message alarmant de Suzuha.

Okabe retourne dans le passé avec Suzuha juste avant la mort de Kurisu pour assister à la course à l'armement annonçant la Troisième Guerre mondiale.

Okabe consent à un sacrifice pour tenter de rétablir l'ordre normal des choses et sauver la vie de ses partenaires.