Die Handlung spielt in Akihabara und handelt von einem Experiment des sehr eigenartigen, teils als verrückt beschriebenen Wissenschaftlers Rintarō Okabe. Es gelingt ihm dabei einen Mikrowellenherd so umzufunktionieren, dass er mit ihm Textnachrichten in die Vergangenheit schicken kann. Was ihm jedoch erst später bewusst wird, ist die Tatsache, dass er damit jeweils seine eigene Gegenwart beeinflusst und genau dies ihn verrückt erscheinen lässt. Jedoch ist er nicht der einzige Forscher auf dem Gebiet. Schon bald sieht er sich mit einer Organisation namens SERN konfrontiert, die sowohl ihm als auch den anderen Eingeweihten des Experiments nachstellt. Nach mehrmaligem Verändern der Zukunft durch diese Nachrichten verfängt sich Okabe dabei in einer Weltlinie, in welcher seine Kindheitsfreundin Mayuri stirbt. Um ihren Tod zu umgehen, reist er zurück in die Vergangenheit und versucht alles Mögliche, jedoch ohne Erfolg. Erst als er sich mit Kurisu berät, erhält er von ihr den entscheidenden Hinweis. Er muss nämlich alle Textnachrichten, die er bis jetzt verschickt hat, rückgängig machen. Doch bevor Okabe die letzte Nachricht verschicken will, realisiert er, dass in der ursprünglichen Weltlinie seine Liebe Kurisu stirbt. Durch diesen Gedanken verfällt Okabe in einen widerwilligen und verzweifelten Zustand, denn er will nicht, dass Kurisu stirbt. Nachdem ihm jemand aus der Zukunft erzählt, dass man Kurisu doch retten kann, fängt Okabes letzte Operation an. In seinem ersten Versuch scheitert er und Makise Kurisu stirbt, allerdings bekommt er dadurch eine Nachricht von sich selbst aus der Zukunft, die ihm Instruktionen für den Plan gibt. Letztlich gelingt es Okabe, Kurisu zu retten und er bewegt sich aus den ursprünglichen Weltlinien in die neue Steins Gate Linie, in der Mayuri und Kurisu überleben.