喜欢用手机记录日常琐事的孤僻少年天野雪辉，被神Deus赋予了能够预知未来的“无差别日记”，兴奋又好奇的他并不知道Deus还选择了其他11名不同能力的日记持有者，在这个游戏中他们必须相互杀戮使自己成1st继承神的王座。我妻由乃是雪辉的同学，同时也是日记持有者，她的日记可以预知雪辉的未来，在2nd由乃帮助下，身为游戏1st的雪辉逃脱了3rd的追杀。

雪辉身份暴露，9th雨流美弥弥追杀到学校，并在校园各处安装了炸弹，从日记得知雪辉有危险的由乃匆忙赶去，为了自保，雪辉决定利用由乃改变dead end。在9th的威胁下，惊恐的学生们抓出雪辉送到9th面前，就在雪辉将要被杀之际，持有搜查日记的4th来须圭悟出现，一阵搏斗之后，被雪辉刺伤一只眼的9th狼狈逃跑。

为抓住9th，警察4th和雪辉、由乃联手并让他们作为诱饵待在游乐场。在游乐场雪辉得知由乃一直追随他的原因，竟是因为自己曾说过的将来要娶由乃的一句玩笑话。另一方面，就在9th难以逃脱4th的搜查之时，出现了另一位日记持有者，他将9th带走并威胁9th说出其他日记持有者的下落。此刻，身在由乃家的雪辉打开了一扇神秘的门，所有人的未来都将重新改写。

得知9th关在御目方教，雪辉、由乃和4th一同前往，他们见到了拥有千里眼日记的6th春日野椿。6th预知到自己的死期就在今晚，她以9th作为交换，要求得到两次死里逃生的雪辉的帮助。当晚，殿内突起大火，中了催眠术的信徒们互相残杀，一片混乱，雪辉想带着6th逃跑，却被由乃拦下。在地下室里，看守9th的拥有顺风耳日记的12th也开始了行动。

眼看信徒们愈发疯狂，由乃拉起犹豫的雪辉向外逃，同时雪辉也向6th伸出援手，三人就要逃到正门之时，12th突然冒出挡住去路，由乃将12th杀死。一切结束之后，6th却命令信徒们抓住雪辉，她企图利用9th将1st、2nd和4th一起抹杀。为救雪辉，由乃落入6th之手。雪辉不忍看着为自己拼命的由乃遭受折磨，在营救由乃过程中杀死6th。另一边，4th虽找到9th，但并未将她抓捕，二人似乎达成某种协议。

雪辉从车站接妈妈回家之后，却发现由乃在他的房间打扫，虽然雪辉不想让妈妈看见由乃，但两人还是见面了。妈妈以为由乃是雪辉的女朋友，因此两个人聊得非常投机，由乃得到了雪辉妈妈的认可。第二天，妈妈接来了在御目方事件中死去同事的孩子丰穰礼佑，丰穰礼佑外表天真可爱，却是拥有涂鸦日记的5th。

5th开始了为父母报仇的计划，但不管是在食物里下毒还是向由乃的浴缸里放电，5th的计划都失败了，而且他还暴露了自己是日记持有者的身份。在由乃追杀5th时，误伤了雪辉妈妈，就在二人为找不到日记苦恼时，快递来了，由乃意识到那就是日记，便让雪辉抢回，打开包裹的一瞬间，瓦斯气体弥漫，雪辉中毒，由乃为抢回解毒剂将5th杀死，深中毒气的雪辉和由乃昏倒在家门口。

雪辉去了新学校，虽碰到以前总欺负他的高坂，但也认识了新朋友日向、野野坂。放学后，他们相约去最近发生凶案的现场，在寻找走失的日向途中他们结识了秋濑或，并被一群恶狗追赶。一行五人逃到附近瞭望台，恶狗一路尾随，在雪辉的指挥下恶狗未能闯入只能撤退，终于放松下来的雪辉突然被野野坂用刀威胁，这时日向手持饲养日记进入瞭望台。

在瞭望台内，秋濑和日向以雪辉为赌注打赌，虽然秋濑不是日记持有者但凭借自己的智慧赢了日向。由乃刺伤了企图伤害雪辉的野野坂，雪辉等人抓住时机逃出了瞭望台，逃跑中的雪辉不想因此失去朋友，便转头去找日向，由乃紧随其后。为了保护雪辉，由乃将日向挟持，眼看由乃逐渐失去理智，雪辉为控制局面，在大家面前承认由乃是他的女朋友。此外，4th将日向的父亲10th击毙。

9th在避难的小木屋回忆起被3rd追杀时的事情，在逃亡的过程中她结识了4th的手下西岛。另一方面，雪辉被秋濑骗出来和由乃一起参加结婚仪式免费体验活动。在将由乃送回家时，雪辉发现秋濑在由乃的房子进行调查，奇怪的是雪辉曾发现尸体的那个房间变成了一个无比深的大洞，而由乃也将记忆篡改，根本不记得雪辉来过她家的事情。4th将10th的死推卸到雪辉和由乃身上，并对他们下了逮捕令。

由乃和雪辉被逮到警察局，在4th找雪辉谈话的时候，由乃从日记得知4th想要伤害雪辉，便用枪将4th打伤，逃跑中雪辉失手伤人，二人便成了真正的逃犯。偶然间，他们看到4th的夫人，便一路跟踪到了医院，谁想却碰到9th，她告诉雪辉4th想成为神是为了救他的儿子。为了自保，9th和雪辉、由乃结成同盟，以4th的妻儿作为人质与对抗4th。

计划制定之后，雪辉三人开始和4th进行交涉，可交涉失败，雪辉被4th抓住，由乃为救雪辉引爆闪光弹，9th在病房装了炸弹后逃跑，却再次碰到西岛。这时，医院爆炸，4th趁机将昏迷的由乃作为人质，但他还是被雪辉射伤，得知真相的西岛要求抓捕4th，走投无路的4th将日记毁掉而消失。洗清冤屈的雪辉和由乃踏上了看星星之旅，秋濑给雪辉发信提醒他远离由乃，可信息却被由乃删掉，由乃到底在计划着什么？

西岛在4th留给他的遗书和笔记里得到了很多关于未来日记的信息，他找来秋濑商量雪辉的去向。秋濑推断出雪辉被由乃囚禁，为了不惊动由乃，秋濑找日向等人帮忙寻找雪辉。由乃有所察觉，她冒充雪辉给日向发信求救，将日向绑架，并在囚禁雪辉的旅馆中布下陷阱，封锁秋濑等人的营救。另一边，Deus和姆鲁姆鲁打赌谁将成为下一届的神。

秋濑、高坂和野野坂被关在充满瓦斯气体的房间，秋濑通过监视器与由乃交涉，可由乃再次记忆篡改不予理会。这时，高坂的手机发出噪声，他被选为日记持有者实习生，按照高坂日记的指示，三人成功逃脱。而被由乃灌药一直处于麻木状态的雪辉清醒过来，在日向的帮助下重获自由，撇下由乃与秋濑等人会合离开。刚摆脱由乃的雪辉，又被其他三名日记持有者追杀。

得知了8th的日记能力是通过博客日记的主服务器增加日记持有者，雪辉、秋濑等人把“战场”选在了离手机信号塔很近的高坂家，原以为只要切断信号，子日记持有者便不能使用未来日记。这时，一直追踪雪辉的由乃突然出现，而更让人意外的是来袭的爱和马克是真正日记持有者7th，他们引爆高坂家，并夺走了雪辉和由乃的日记。

爸爸的出现让雪辉非常开心，但他并非单纯来看望自己的儿子，而是和11th达成协议要毁掉雪辉的手机为自己还债。7th从由乃的未来日记上看到有11th 的消息便威胁雪辉带着爸爸来到樱见塔。7th拿出两部假的手机作掩护，但还是被由乃发现，她直接冲到手拿捧花的爱面前抢回手机，此时，樱见塔在另一位日记持有者的引爆下崩坏。

7th带着雪辉的爸爸逃到塔顶，准备用降落伞逃跑，由乃和雪辉紧随其后，按照由乃的计划，他们将爱打伤并挟持为人质。混乱中，雪辉的爸爸抢到降落伞逃跑，降落时被雪辉的妈妈看到并追上去询问雪辉的情况，为摆脱纠缠，雪辉的爸爸把妈妈杀死。马克把埋在废墟下的爱，雪辉和由乃救出，他抱着死去的爱葬身樱见塔，雪辉和由乃顺利逃出。

一年前，由乃就已经暗中观察雪辉。为准备文化祭，老师让雪辉和他将要表白的对象若叶一起去采购，由乃扮成兔子人偶从中阻拦，看到若叶拒绝了雪辉，才放心回家，而等待由乃回家的则是被自己关在笼中不知不觉死去的父母。回到现在，为找出爸爸杀人的证据，雪辉跟踪爸爸到神社，就在爸爸表明从新做人时，突然有人冲出杀死爸爸，为救死去的父母，雪辉决定要成为神。

樱见市市长以涉嫌藏匿毁坏樱见塔主犯为由解除母亲之家，其实，他就是为了得到8th日记的11th。为保母亲之家，8th和雪辉联手袭击11th，可雪辉是按照由乃的剧本与8th结盟并故意掉进11th的陷阱，背叛了8th。绝望的8th坐上了11th的车逃跑，由乃和雪辉一路追赶。就在由乃将要击毙11th时，秋濑赶来告诉雪辉了一个关于由乃身世的秘密。

虽然雪辉听到这个秘密很震惊，但他还是选择相信秋濑口中这个假冒的由乃，二人逃跑。11th企图利用8th的日记和 holonⅢ让樱见市市民全部变成子日记持有者，建立起由预知能力者组成的王国。得知计划的9th极力阻止，可她没能逃过11th日记的监视，在四方塔上破坏holon时，西岛为救9th而死亡。另一边，以9th行动为诱饵的雪辉和由乃也进入四方塔开始了行动。

由乃救出日向等人后找到8th，但因秋濑的保护，她未能杀掉8th。而被雪辉和9th追杀的11th躲进我妻银行的双重门里，想要打开大门就需要由乃父母，由乃和11th视网膜认证才行。9th要杀死雪辉，但被雪辉杀死，9th死亡。这时由乃赶来，她让雪辉去毁掉南塔的holon，自己留下了对付11th，让11th意外的是这个“冒牌”由乃居然打开了大门，11th被由乃杀掉。Deus死期将近，世界开始崩坏，8th将秋濑带到Deus面前。

秋濑得知自己是Deus创造出的存在，而且自己所有的行动也都是神的意志，Deus毁灭前让秋濑回归到全宇宙记录，除非他能证明自己的存在。在8th的帮助下，秋濑凭借自己的意志成为子日记持有者，重新回到世界。他要从由乃的手中夺回雪辉，但在由乃的怂恿下雪辉杀死了8th和日向等人，秋濑也被由乃重伤，临终之际，秋濑用手机留下一条奇怪的信息。

7月28日世界毁灭，在此之前雪辉决定好好爱由乃，并把happy end提前一天。放松警惕的雪辉把自己从秋濑手机上看到的，关于由乃曾经是神，并且这个时间是从未来倒回来的“二周目的时间”的事情告诉了由乃，这时，由乃却突然抡起斧头砍向雪辉。危机时刻姆鲁姆鲁出现，引导雪辉看过去的影像，雪辉终于知道了所有事情的真相。

原来一直在雪辉身边的由乃是从一周目世界穿越而来并已成为了神，为了和雪辉在一起，她杀死了和雪辉同处于二周目世界的由乃并将其取代。如今由乃必须杀掉知晓一切的雪辉，这时9th突然出现救走雪辉。Deus死前将自己一半的知识和力量托付于9th，希望她把游戏引向正确道路。他们随由乃到了三周目世界，看到这个世界受着虐待的由乃，雪辉出手相救。

面对着那个对未来充满希望的自己，由乃有所动摇，同时，姆鲁姆鲁发现因果律开始混乱，所有日记持有者的未来都在发生改变 。但为了继续游戏能再和三周目的雪辉见面，由乃还是决定杀死三周目的由乃和父母，就在这时，雪辉冲破幻想空间，阻止了由乃。为保雪辉，由乃选择了自杀，雪辉成为了二周目的神，孤独的活在二周目的世界。而在三周目的世界，大家都平静的生活着，雪辉虽然成为了二周目的神，但因为二周目的我妻由乃的自杀而一蹶不振。