Rintarô okabe, fondateur du Laboratoire des Gadgets Futuristes, se rend à la conférence du professeur Nakabashi à l’immeuble Radio Kaikan (NDA: Akihabara), avec son amie d'enfance, Mayuri Shiina. Il y découvre Kurisu Makise, baignant dans une flaque de sang. Alors qu'il envoie un message à Itaru « Daru » Hashida à propos de cette affaire, il se rend compte qu'il est seul dans Akihabara.

Makise Kurisu a été assassinée dans l’immeuble Radio Kaikan. Mais Okabe la retrouve à l'ATF, bien vivante, alors qu'elle devrait être morte. Dans le même temps, sur internet, un nommé John Titor qui se présentait comme un voyageur du futur, n'existe plus. Alors qu’ Okabe va voir Faris Nyan-nyan du maid café, il rencontre sur le chemin Moeka Kiryû qui recherche un vieil ordinateur, l'« IBN5100 »...

Kurisu a donc vu par hasard l'expérience du « four à micro-ondes » du Labo des Gadgets Futuristes. Okabe suppose que le four à micro-ondes est une sorte de machine temporelle, et se souvient que John Titor avait dévoilé que « dans le futur le SERN aurait le monopole du voyage dans le temps ». Okabe demande à Daru de hacker le SERN, et découvre le D-mail.

Les mots contenus dans le mail du SERN, « Human is Dead, mismatch », donnent des frissons à Okabe. C'est alors qu'il suppose que la clé de décryptage du code du SERN se trouve dans le vieux PC, l'IBN5100, et se rend au temple Yanagimori où autrefois le père de Faris aurait laissé un IBN5100. Au temple, Okabe rencontre Luka Urushibara.

Alors qu’ Okabe et Kurisu rapportent l'IBN5100 au Labo, ils rencontrent Suzuha Amane qui fait le ménage dans la boutique de Braun. Bien que ce soit la première fois que Suzuha et Kurisu se rencontrent, Suzuha régit bizarrement face à Kurisu. Avec l'IBN5100, Okabe, Daru et Kurisu recommencent à hacker le SERN. Ils découvrent que le SERN fait des expériences de voyage dans le temps depuis 40 ans.

Ayant appris les expériences du SERN, Okabe réunit les membres du Labo. C'est là qu'ils nomment le « mail envoyé dans le passé », qu'ils avaient découvert par hasard, le “D-mail”. Ils comprennent qu'un D-mail peut être envoyé jusqu'à 5 jours dans le passé. Le jour suivant, Moeka vient visiter le Labo pour observer l'IBN5100, et apprend par hasard l'existence du D-mail.

Okabe décide d'utiliser le four à micro-ondes qu'il a construit, et tente une expérience avec le D-mail pour changer le passé. Il s'envoie une semaine dans le passé les numéros gagnants du loto. Une semaine avant, Okabe apprend les numéros du loto par Luka, mais il y a une erreur dans les numéros. En envoyant le D-mail le passé a changé, et la ligne de temps s'est déplacée.

Okabe ayant reçu un mail de John Titor lui disant « je veux que tu deviennes le Messie », il comprend soudainement qu'il est le seul à pouvoir garder la mémoire de ce qui s'est passé avant les changements sur une ligne de temps, capacité qu'il appelle « Reading Steiner ». Afin de vérifier ce pouvoir il envoie un D-mail 4 jours avant à Moeka, et la ligne temporelle change.

Okabe s'aperçoit que l'IBN5100 a disparu du Labo. Le passé ayant changé à cause du D-mail, il n'a jamais pris possession de cet ordinateur. Okabe retourne au temple, mais l'ordinateur n'y est plus. Il se rend chez Faris pour lui parler de l'IBN5100. Elle lui demande alors en échange de lui envoyer un D-mail 10 ans dans le passé.

A cause du D-mail de Faris, l'aspect « Moé » du quartier d'Akihabara a disparu. Même si le maid café a disparu, il n'y a aucun changement dans leurs relations. Quant à Luka, il est devenu une fille à cause de son D-mail. De plus, Suzuha, qui était venue chercher son père, veut quitter la ville. Okabe organise une fête de départ, mais Suzuha ne vient pas au Labo ce jour-là.

Okabe découvre le rôle d'un téléviseur de la boutique d'électronique du Dr Braun, située sous le Labo, qui sert de « lifter » et permet d'envoyer les D-mails. Kurisu mentionne la possibilité de compresser les données mémorielles du cerveau de quelqu'un et de se les envoyer dans son passé, ce qu'elle appelle la possibilité du “time leap”. Cependant, Kurisu a hésité.

Kurisu a terminé avec succès sa machine à time leap. Okabe et les autres ont enfin mis la main sur un « dispositif pouvant transcender le temps ». Cependant, Okabe arrête l'expérimentation de la machine à time leap. Il annonce vouloir dire la vérité au monde, et confier le dispositif à des organismes de recherche officiels. Ce jour-là, il organise une fête. Tout à coup, Suzuha s'enfuit du Labo.

Mayuri est assassinée par Moeka qui a mené l'assaut dans le Labo. C'est alors qu'apparaît Suzuha qui était censée avoir disparu. Kurisu met en marche sa machine à time leap qui vient à peine d'être terminée, et provoque un time leap dans le passé sur Okabe. Revenant à lui, Okabe se retrouve dans le Labo plusieurs heures avant l'évènement sanglant. Okabe annule la fête et s'enfuit avec Mayuri.

Cherchant à éviter l'attaque menée par Moeka, Okabe la contacte. Lors de la rencontre Okabe lui prend aussitôt son arme, et la questionne à propos du Rounder qui cherche l'IBN5100, ainsi que sur les raisons de l'attaque du Labo. Même en utilisant le time leap, le résultat semble inéluctablement demeurer le même, ce qui plonge Okabe dans un le désespoir. Kurisu s'aperçoit de la détresse d'Okabe...

Venue de 2036, Suzuha explique que le SERN domine le monde de l'avenir grâce à la machine à voyager dans le temps. La raison pour laquelle le SERN a commencé à développer la machine à voyager dans le temps, c'est le premier D-mail envoyé par Okabe à Daru devant le Radio Kaikan. En effaçant tous les D-mails de la base de données du SERN, il semble possible de changer de ligne temporelle...

Okabe cherche la personne qui a commandé un badge comme celui du père de Suzuha. Il s'agit de Daru. Alors que la machine à voyager dans le temps est réparée, Mayuri suppose que Daru est le père de Suzuha. Puis Suzuha voyage jusqu'en 1975. Revenu au Labo, Okabe reçoit une lettre de Yûgo Tennôji. Dans cette lettre pour Itaru Hashida, il est expliqué que Suzuha a eu un accident...

Soir du 14 août. Le Rounder attaque avec un jour de retard, et Mayuri perd la vie. Okabe demande conseil à Kurisu après son time leap. Kurisu formule une hypothèse selon laquelle si tous les D-mails envoyés sont effacés dans l'ordre de leur envoi, la ligne temporelle dans laquelle se trouvait l'IBN5100 devrait revenir. Okabe va voir Faris.

Le D-mail suivant à effacer doit être celui que Luka a envoyé à sa mère. Okabe explique à Luka la vérité, à savoir qu’ « avant d'envoyer le D-mail tu étais un homme ». Luka lui répond « sois mon petit ami pour un jour seulement ». Pendant leur sortie, Luka se rappelle de leur première rencontre. C'est un souvenir de l'ancienne ligne temporelle.

En effaçant les D-mails, la mort de Mayuri retarde jour après jour. Le 16 août, Okabe confie Mayuri à Kurisu et part à la recherche de Moeka. Cependant, Moeka s'est suicidée le 15. Okabe utilise le time leap pour aller au 11 août, et se rend dans la chambre de Moeka. Okabe s'empare de son téléphone portable par la force, puis efface le D-mail de Moeka. Cependant, la ligne temporelle ne change pas.

Okabe et Moeka se rendent à la consigne automatique, et suivent les Rounders qui transportent l'IBN5100. C'est alors qu'ils tombent sur quelqu'un d'inattendu : Mr Braun, alias Yûgo Tennôji. Okabe se rend dans son appartement et l'interroge à propos de « FB ». Tennôji appelle alors Moeka « M4 ». Il s'agit du nom de code de Moeka. Tennôji tire alors sur Moeka, puis se suicide.

En effaçant le premier D-mail et en retournant sur la ligne temporelle beta, Kurisu Makise mourra. En se rendant compte de cela, Okabe arrête brusquement le hacking du SERN. Le 17 août, dernier jours du Comima (Comic Market), Okabe et Mayuri se rendent à cet événement. Au retour, une voiture s'approche d'eux alors qu'ils sont dans une petite rue à Akihabara. Okabe veut se sacrifier mais...

A la recherche de Kurisu, Okabe la trouve sur le toit du Radio Kaikan. Là, elle lui dit avoir « le souvenir d’une autre ligne d’univers où elle a été assassinée». Kurisu dit accepter sa propre mort dans le but d'aider Mayuri. Okabe se rendant à cette décision, exprime ce qu'il ressent pour elle. Le lendemain, il accompagne Kurisu qui va en Amérique, et revenu au Labo, il efface le premier D-mail.

D'après Suzuha, dans la ligne temporelle de ce monde, la troisième guerre mondiale surviendra. Pour l'éviter, il faut sauver Kurisu Makise qui est morte le 28 juillet 2010 et atteindre la ligne temporelle du « Steins;Gate ». Okabe se rend dans le passé avec Suzuha, dans la machine à voyager dans le temps. En entrant dans le Radio Kaikan, ils voient, aux côtés de Kurisu, le professeur Nakabachi.

Okabe renaît en tant que Kyôma Hôôin. Sans changer le passé d’une « Kurisu baignant dans son sang », il commence à agir pour la sauver. Il retourne au 28 juillet, se cache sur le lieu de l’assassinat et l'attend. S’apercevant que le faux sang rapporté du Labo a séché, il fait en sorte que le professeur le poignarde, et rend Kurisu inconsciente, revivant à nouveau les « conditions observées ».

Deux mois après l’histoire de la ligne temporelle principale, Faris invite Okabe, Daru, Mayuri et Ruka à Los Angeles, afin de la suivre pendant un tournoi de Rai-Net. Okabe, en bon savant fou, se croit obligé d’annuler les réservations d'hôtel faites par Faris, de sorte qu’ils finissent tous dans un motel...