Yukiteru Amano é um solitário que passa o tempo escrevendo em seu diário móvel e conversando com um amigo imaginário, Deus Ex Machina. No entanto, uma manhã, ele descobre que a anotação de seu diário para o dia já foi preenchida. Mais estranho ainda, os eventos retratados no diário começam a se tornar realidade. Deus, que revela ser um Deus real, avisa Yukiteru que se ele perder seu diário, ele morrerá. Quando Yukiteru começa a usar o diário a seu favor, ele é abordado por um perseguidor chamado Yuno Gasai, que também possui um Diário do Futuro que predisse sua morte nas mãos de um serial killer, outro dono do Diário do Futuro. Ajudando-o a fugir do assassino, Yuno ajuda Yukiteru a lançar um dardo no telefone do assassino, matando-o. Depois, Deus explica as regras do jogo de sobrevivência para Yukiteru e os outros donos do diário, no qual eles devem tentar se matar para ganhar o direito de sucedê-lo.

Yuki está tentando descobrir a razão por trás do Diário de Amor do Futuro de Yunos quando uma mulher chamada Uryuu Minene o interrompe. Ela rapidamente o identifica como o 1º e anuncia que é o 9º e que o 1º vai morrer.

Tendo escapado com vida da 9ª armadilha mortal na escola, Yuki e Yuno se encontram em uma aliança com o detetive do 4º diário, Detetive Keigo Kurusu. O 4º pede aos dois para passarem o dia juntos em um parque de diversões para servir de isca para o 9º, que continua a escapar do 4º e seu diário de detetive. No final do dia, Yuki descobre um segredo inquietante sobre Yuno e o 9º pode ter caído em uma armadilha preparada por outra pessoa que não o 4º.

Yuki não pode contar a ninguém sobre os cadáveres que viu na casa de Yuno, temendo que ela descubra através de seu diário. No dia seguinte, Keigo, Yuki e Yuno visitam o culto do Olho Sagrado, onde Uryu está sendo mantido prisioneiro. O líder do culto, Tsubaki Kasugano, é o detentor do Diário da Clarividência, um pergaminho que conta o futuro visto por seus seguidores e predisse sua morte no final do dia. Uma vez que Yuki já escapou da morte duas vezes, Tsubaki pede que ele fique com ela durante a noite em troca de entregar Uryu, o que ele aceita, para grande ressentimento de Yuno. À noite, os seguidores de Tsubaki caem sob o controle da mente de Yomotsu Hirasaka, o detentor do diário que capturou Uryu, e se aproximam de Yuki, Yuno e Tsubaki. Yuno começa a hackear os seguidores com um machado e apresenta um ultimato a Yuki: junte-se a ela ou morra.

Yomotsu aparece antes da fuga de Yuki, Yuno e Tsubaki com quatro membros do culto hipnotizados vestidos como ele. Yomotsu explica que seu Diário Justo o levou a se infiltrar no culto do Olho Sagrado e que ele pretende explodir a si mesmo e a Tsubaki usando a bomba de Uryu. Tendo aprendido com Keigo que Yomotsu é cego, Yuno consegue encontrá-lo e matá-lo. Tsubaki então faz com que seus seguidores capturem Yuki e Yuno, revelando que seu plano era matá-los, Keigo e Yomotsu o tempo todo. Devido ao seu passado traumático como vítima de estupro ritual, Tsubaki deseja alcançar o poder de Deus para reconstruir o mundo.

Sabendo por seu diário que a mãe de Yuki está voltando do exterior, Yuno invade a casa de Yuki com a intenção de se apresentar à mãe de Yuki. Apesar dos esforços de Yuki, sua mãe e Yuno se conhecem e gostam um do outro. Naquela noite, Yuno revela a Yuki que seu diário prevê que eles "se encontrarão" em uma certa data e diz que ela fará de tudo para garantir que o futuro aconteça. No dia seguinte, a mãe de Yuki traz para casa Reisuke Houjou, um menino cujos pais foram mortos no incidente do Olho Sagrado. Apesar de sua pouca idade e comportamento precoce, Reisuke é um proprietário do Diário do Futuro, planejando a morte de Yuno.

Reisuke tenta várias vezes matar Yuki e Yuno, mas os dois frustram suas tentativas, logo percebendo que ele é o dono de um diário. Yuki começa a procurar o diário de Reisuke em vão, enquanto Yuno insiste que matá-lo seria mais rápido. Enquanto perseguia Reisuke com um martelo, Yuno acaba ferindo a mãe de Yuki. Yuno descobre que Reisuke postou seu diário para si mesmo para escondê-lo e faz Yuki interceptar a entrega, mas ele é vítima de uma armadilha de gás venenoso escondida no envelope.

Deus convoca uma reunião dos oito detentores de diários sobreviventes, um dos quais pede para transferir a propriedade de seu diário. Duas semanas após o desaparecimento de Reisuke, Yuki e Yuno são transferidos para uma nova escola, enquanto uma série de assassinatos brutais tem aterrorizado a área. Depois da escola, Yuki e Yuno entram sorrateiramente em uma das cenas do crime com os colegas de classe de Yuki, Hinata, Mao e Kousaka. Quando Hinata se afasta, o diário de Yuki prediz que ela foi atacada. Yuki leva todos para a cena, onde eles encontram o corpo de Hinata diante de uma matilha de cães ferozes. Um estranho garoto chamado Aru Akise aparece e leva todos a um prédio próximo.

Em um flashback, Hinata recebe o Diário do Criador de seu pai criador de cães, que quer que ela elimine Aru. Quando Hinata exige o diário de Aru, ele a desafia a adivinhar em qual mão ele está escondendo uma moeda, tendo seu diário como penalidade. Apesar de usar o diário de Yuki, Hinata perde e tem que libertar Yuki.

Enquanto fazia bombas para Keigo, Uryu se lembra da vez em que foi capturada por um detetive chamado Nishijima enquanto confrontava o dono do diário do assassino em série. Embora eles desenvolvam um relacionamento ao fugirem e derrotarem o assassino, Uryu acaba nocauteando Nishijima para escapar. Aru marca um encontro para Yuki e Yuno em uma feira de noivas, onde eles encontram a esposa de Keigo, enquanto ele investiga a casa de Yuno.

Em um flashback, Keigo forma uma aliança com Uryu, prometendo parar de persegui-la e pedindo-lhe para cuidar de seu filho com doença terminal se ele for eliminado do Jogo de Sobrevivência. Yuki e Yuno são presos e levados para Keigo. Na sala de interrogatório, Keigo força Yuki a jogar Roleta Russa com seu revólver de serviço. Alertada sobre a traição de Keigo por seu diário, Yuno nocauteia os detetives que a protegiam e rouba suas armas.

Enquanto a polícia cerca o hospital, Uryu leva a esposa e o filho de Keigo como reféns e tenta barganhar com ele. No entanto, Keigo está convencido de que a única maneira de salvar sua família é vencer o jogo de sobrevivência e se recusa a negociar. Yuki é capturado pela polícia, mas quando Keigo o segura, Yuno aparece segurando uma granada. Mesmo quando Keigo concorda em deixar Yuki ir, Yuno decide detonar a granada, raciocinando que ela prefere morrer matando Keigo do que não ficar com Yuki. A granada acabou sendo um flash bang, nocauteando a todos.

Quando Deus percebe que seu assistente, Murmur, manipulou eventos para apressar a eliminação de Keigo, ela afirma que deseja que o jogo seja concluído antes que ele tenha que "se aposentar" e o desafia a uma aposta no vencedor do jogo de sobrevivência, com ela escolhendo Yuno e Deus apostando em Yuki. Yuki e Yuno partem em uma viagem de observação das estrelas, mas Yuno altera seu destino ao longo do caminho.

Aru fala com Yuno através de seu feed de vigilância, revelando que ele desenterrou três cadáveres de seu jardim, dois dos quais tiveram seus crânios removidos recentemente. Quando ele ameaça dar essa informação à polícia a menos que ela os liberte, o estresse faz com que Yuno altere sua memória novamente, tornando as negociações discutíveis. Como Kousaka usa seu telefone celular para postar seu testamento em seu blog, ele aparentemente foi transformado em um Diário do Futuro pelo detentor do oitavo diário, que o considera um "aprendiz".

Aru deduz que o diário da Oitava é um servidor que hospeda e envia previsões para os blogs de seus aprendizes. Quando o diário de Yuki prevê um ataque de três deles, Aru o transfere para a mansão de Kousaka. Seu plano é atrair os aprendizes e, em seguida, desativar a torre de telefonia celular da área, interrompendo sua conexão com o servidor da Oitava.

Aru deduz que Marco e Ai não destruíram os diários de Yuki e Yuno porque querem tirar proveito das informações que eles fornecem. Para confundi-los, ele faz com que Uryu forneça informações falsas a Yuki. O pai de Yuki o visita no hospital, mas enquanto Yuki está fora, ele procura seu celular no quarto.

Em um flashback, Marco e Ai são crianças abandonadas que se encontram na torre comercial, crescem no orfanato de Kamado e acabam se apaixonando. Yuki escolhe pegar a mão de Yuno, enquanto Marco e Ai correm para o telhado da torre em ruínas com o pai de Yuki, pretendendo pular de paraquedas.

Em um flashback, é revelado que Yuno assassinou seus pais, que costumavam discipliná-la severamente por não cumprir seus padrões. Depois que ela se apaixonou por Yuki, ele se tornou sua única razão para viver. Yuki pede a Deus para trazer sua mãe de volta à vida, mas ele revela que está morrendo e que seus poderes se desvanecem. Além disso, a menos que um sucessor seja determinado logo, toda a existência entrará em colapso.

O prefeito da cidade, John Balks, aprova uma moção para que o orfanato de Kamado seja fechado. Ele então comparece ao encontro de Deus, onde Yuki e Yuno, tendo deduzido sua identidade, o expõem como o detentor do décimo primeiro diário. Uryu repassa essas notícias para Nishijima, que revela que foi designado novamente como guarda-costas de Balks. Além disso, ele descobriu que Yuno foi adotado. Yuno teoriza que Balks quer confiscar o servidor do Diário do Futuro de Kamado, então ela faz Yuki formar uma aliança com ela.

Apesar da revelação de Aru, Yuki declara sua confiança em Yuno. Balks conecta o servidor de Kamado ao HOLON, um supercomputador que guarda contas de usuários de todos os cidadãos da cidade, tornando-os seus aprendizes. Uryu tenta atacar Balks, mas seu diário permite que ele vire o jogo.

Yuki e Yuno causam estragos, exigindo que Balks libertem seus amigos e cometam suicídio. Balks se tranca em um cofre pertencente ao banco dos pais de Yuno, que só pode ser destrancado por ele, os pais de Yuno e o Yuno real. Uryu, raciocinando que Yuki não pode mais eliminar Balks por ela, começa a caçá-lo.

Com um pequeno núcleo sendo tudo o que resta de Deus, Murmur se autoproclama sua sucessora até sua morte e o fim do mundo em 28 de julho. Yuno lembra Yuki sobre a previsão de seu diário de que eles "se tornarão um" naquele dia. Com o passar dos dias, Yuki finalmente admite para si mesmo que seus amigos provavelmente estavam dizendo a verdade. Como ele não consegue entender por que Yuno mentiria para ele, ele decide arrancar a verdade dela cumprindo a previsão de seu diário anterior. Em 27 de julho, Yuki e Yuno fazem amor, "tornando-se um".

Yuno expressa seu desgosto em como esse estado de coisas impede que ela e Yuki sobrevivam juntos. Ela afirma que, uma vez que Yuki não a matará, ela o matará e viajará de volta no tempo para encontrar outro Yuki. Murmur empurra Yuki de um penhasco, mas ele é salvo pelo repentino reaparecimento de Uryu, que exibe poderes semelhantes aos de Murmur.

Uma ambulância chega na casa de Yuno junto com o pai do terceiro Yuno. Embora ele seja um homem muito mais carinhoso neste mundo, Yuno tem que esfaqueá-lo quando ele começa a suspeitar dela. Uryu deixa Yuki e o terceiro Yuno na escola e faz uma ligação para Keigo deste mundo, avisando-o sobre a doença de seu filho.

Depois de alguma hesitação ao ver a inocência de seu outro eu, Yuno se lança sobre ela, mas ela é impedida pelos pais de seu outro eu. Enquanto isso, as ações de Yuki e Uryu causaram um efeito dominó que mudou o futuro de quase todos os detentores de diários para melhor.