Han passat sis mesos d'ençà que en Rintarô Okabe va decidir quedar-se en la línia d'univers on la Kurisu Makise és morta. Immers en una vida social allunyada de la seva faceta com a científic boig, s'ha d'enfrontar als traumes que li han deixat les experiències prèvies. Enmig d'aquesta nova vida assisteix a un seminari que presenta Amadeus, una revolucionària intel·ligència artificial lligada a les teories de la Kurisu.

L'Okabe acaba admetent davant la Maho que coneixia la Kurisu i les seves teories sobre la recuperació de la memòria. En Leskinen i la Maho li presenten l'Amadeus, un avatar de la Kurisu creat a partir dels seus records, i li demanen a l'Okabe que s'hi reuneixi de tant en tant per recopilar informació sobre el funcionament del sistema.

Atemorit, l'Okabe està patint episodis catastròfics de Reading Steiner, però es nega a creure que la línia d'univers es pugui estar desplaçant. D'altra banda, la Suzuha busca una nena que va perdre de vista en un dels seus viatges en el temps, i en Daru i l'Okabe l'ajuden a trobar-la. Aquesta recerca els retroba amb algú que desperta records traumàtics en l'Okabe, qui ja té prou problemes per processar la mena de relació que està establint amb l'Amadeus.

Malgrat que desconfia de la Moeka, l'Okabe li demana que els ajudi a buscar la Kagari Shiina. Però els resultats de la investigació presenten una nova amenaça. D'altra banda, la Maho decideix parlar amb l'Okabe per aclarir la situació d'incertesa a què s'ha arribat en relació amb l'Amadeus. Poc després, una font propera els porta a la persona que buscaven, cosa que acaba suscitant més preguntes que respostes.

Per més que l'Okabe i la Suzuha hagin trobat la Kagari Shiina, encara no saben qui més anava darrere d'ella i com ha sigut la seva vida durant els últims dotze anys. Entre celebracions de Cap d'Any, arriba el moment en què l'Okabe ha de prendre una decisió pel que fa a l'Amadeus. Quan semblava que s'arribava a una conclusió en aquest sentit, un incident sobtat deixa clar que encara estan sota una amenaça ben real.

Un grup d'emmascarats assalta el laboratori i intenta segrestar la Kagari, però en Braun arriba a temps d'impedir-ho. L'Okabe, que coneix el seu secret, li demana que els ajudi a protegir la Kagari a canvi que la Suzuha vetlli per la seguretat de la Nae. Mentrestant, l'Okabe i companyia intentaran descobrir qui eren els assaltants i quin objectiu perseguien.

Sense D-mails ni màquina de salts temporals, l'Okabe ha canviat de línia d'univers i apareix en un món en què la Kurisu és viva i la Mayuri, morta. La Kurisu l'intenta convèncer perquè torni al seu món, però per a l'Okabe això significa tornar a escollir entre la Mayuri i la Kurisu.

En Rintarô torna a estar a la línia d'univers beta. Malgrat que sembla que tot s'ha restablert i que la Kagari és en un lloc segur, un seguit de coincidències indica que hi ha alguna organització darrere els darrers atacs. Paral·lelament, la Suzuha s'ensuma que les coses no van per bon camí i s'enfronta a l'Okabe, desesperada per evitar la Tercera Guerra Mundial. La clau que explica els atacs, però, potser la podria tenir la Maho...

L'admiració i el respecte que la Maho sent per la Kurisu la porten a deixar l'ordinador de la Kurisu en mans d'un hacker. D'altra banda, la Faris s'empesca un pla per netejar el seu pis després del caos que ha desplegat la Maho en pocs dies. I en acabat, munta una festa de noies. Poc després, la Maho fa un passeig per Akihabara amb l'Okabe i l'Amadeus que dona lloc a records, anècdotes de la Kurisu i per revelacions esfereïdores.

L'Okabe i la Maho es presenten al cau del hacker que havia d'analitzar l'ordinador de la Kurisu. És algú que coneixen molt bé. I quan finalment s'arriba a un acord i es decideix que seria millor destruir-lo, els assalta un grup armat que busca l'ordinador de la Kurisu. Les conseqüències de l'atac porten la Maho a replantejar-se el seu complex d'inferioritat respecte a la Kurisu i què motivava que s'aferrés tant a ella i al seu llegat.

La Kagari sent una cançó que li recorda algun moment del seu passat. L'Okabe creu que pot ser un element clau per ajudar-la a recuperar la memòria, i tots junts comencen a investigar l'origen de la cançó. Qui la cantava? D'on sortia? I el més important: per què afecta tant la Kagari?

La Mayuri no acaba d'entendre que la Kagari sigui la seva filla adoptiva, però ho acaba acceptant i li prepara una festa per celebrar que ha recuperat la memòria. D'altra banda, l'Okabe i la Moeka intenten descobrir per què la Kagari només ha recuperat part dels seus records. El senyor Braun té la teoria que algú li va rentar el cervell.

Han passat sis mesos d'ençà que la Kagari va desaparèixer. L'Okabe i la seva colla l'han estat buscant sense èxit, i les instal·lacions que va descobrir la Moeka només els deixen més preguntes. Ara bé, un incident inesperat farà que la Suzuha recordi detalls del futur que explicarien l'estat psicològic de la Kagari. Tanmateix, la Suzuha, que ja no té esperances que l'Okabe l'ajudi, demana a la Maho que ajudi en Daru tornar a crear la màquina de salts temporals.

Tot i que la Suzuha és la filla que en Daru i la Yuki tindran en el futur, com que veu tan pocs avenços en la relació dels seus pares, la Suzuha comença a veure perillar la seva existència, i decideix recórrer als amics d'en Daru per muntar un pla infal·lible que encamini una mica més la relació entre els seus pares. Per la seva banda, l'Okabe està arribant a un punt en què, aparentment, un seguit de nous horitzons li està canviant les prioritats.

De mica en mica, els esforços de l'Okabe donen fruit i sembla que té més a prop la incorporació a la universitat Viktor Chondria. Mentre la Maho i en Daru miren de reproduir la màquina de salts temporals que va crear la Kurisu, l'Okabe els descobreix i haurà de fer front a qüestions que els seus companys no havien gosat dir-li fins ara. Alhora, la Mayuri descobreix uns sentiments dels quals no era conscient del tot.

La Mayuri està decidida a esbrinar què amaga l'Okabe, i li demana a la Suzuha que li expliqui què està passant. Quan per fi comença a entendre les coses, pren una decisió amb la intenció de canviar el passat i garantir la felicitat del seu amic. Però l'Okabe no s'arriscarà de bon grat a tornar-la a perdre.

Una persona de l'entorn de l'Okabe i companyia acaba revelant els seus plans maquiavèl·lics per apropiar-se de la màquina del temps, i es descobreix que la Kagari ha estat sotmesa a una tècnica molt perfeccionada de rentat de cervell. L'Okabe intenta impedir que la Mayuri viatgi al passat amb la Suzuha, però ella està decidida a acomplir la seva missió.

Els recents atacs terroristes han deixat l'Okabe i els seus companys en estat de xoc a causa de la pèrdua de la Mayuri i la Suzuha. Així doncs, la situació empeny l'Okabe a admetre que necessita reconstruir la màquina de salts temporals per mirar de canviar el passat. A contrarellotge, la colla mira d'enllestir la màquina, però sembla que la línia d'univers on es troben no els posarà les coses gens fàcils.

L'Okabe es desperta desconcertat i amb el cos adolorit en un espai desconegut. És l'any 2036 i ha passat onze anys en coma. En aquell futur, finalment veu en primera persona la realitat caòtica i depriment de la guerra que la Suzuha li havia esmentat en el passat. El patiment d'aquesta època el fa entrar en raó i prendre una decisió: buscar l'Steins Gate costi el que costi amb l'ajuda dels companys que han sobreviscut.

Malgrat que l'Okabe ha pres la decisió de buscar l'Steins Gate, es troba a l'any 2036, i tornar al 2011 suposarà un esforç titànic. Per aconseguir el seu objectiu li caldrà fer milers de salts temporals amb la màquina; una tasca que es complicarà, tenint en compte que l'any 2025 el van capturar i torturar fins a deixar-lo en coma. Malgrat tot, els seus remordiments i la seva ferma voluntat li donaran força i no li permetran rendir-se sense lluitar.

L'Okabe no troba la manera d'evitar que la màquina del temps sigui destruïda amb la Mayuri i la Suzuha a dins. Al final és l'Amadeus qui proposa una solució que, per més radical que sigui, és l'única alternativa. Al principi sembla impossible, però a en Daru se li acut la manera de portar-la a la pràctica.

El D-Line que en Daru i l'Okabe envien al passat ha eliminat l'Amadeus. Han canviat moltes coses, però l'Okabe només té temps per intentar que la Suzuha i la Mayuri puguin emprendre el viatge en el temps i després poder-les rescatar, encara que sigui molts anys després.