Bien que la troisième guerre mondiale se profile à l'horizon, Okabe tente de mener une vie universitaire normale. Cependant, une IA nouvellement développée est sur le point de bouleverser son monde.

Après une rencontre fortuite avec Maho où ils découvrent qu'ils connaissent quelqu'un en commun, Okabe a son premier face-à-face avec son IA spéciale, Amadeus.

Mayuri essaie de rassembler tout le monde pour une fête de Noël au laboratoire, mais Okabe a un réveil brutal.

Alors qu'Okabe Rintarou a brièvement une vision d'une ligne mondiale où il est pris au milieu d'une guerre, dont il finit par réaliser que son Reading Steiner est activé. Pendant ce temps, Suzuha explique à Daru qu'elle est à la recherche de Kagari Shiina, la future fille adoptive de Mayuri qui a voyagé avec elle à partir de 2036 mais qui s'est séparée d'elle en 1998. Alors que Rintarou décide de l'aider dans ses recherches, il reçoit un appel de Ruka Urashibara concernant une affaire urgente avant de trouver Moeka devant sa porte. Se retrouvant avec plus de questions que de réponses, Suzuha recrute de l'aide dans sa recherche d'une personne proche et inattendue.

Leurs recherches se poursuivent à l'approche du Nouvel An, bien que le dilemme de Ruka avec un certain invité puisse aggraver la situation.

Maintenant que l'identité de la jeune fille est connue, Okabe et ses amis entament la nouvelle année par une visite au sanctuaire et une fête à ne jamais oublier.

Les hommes armés tentent d'enlever Kagari mais sont contraints de fuir les mains vides lorsque Yugo Tennouji arrive et les désarme. Concluant que ce groupe n'est pas le même que celui qu'il avait rencontré auparavant, Rintaro s'approche de Tennouji, utilisant ses connaissances sur son appartenance à un Rounders pour obtenir son aide dans la protection de Kagari. Pendant ce temps, alors que Maho continue de se retrouver exclue d'Amadeus, Ruka tente de questionner Suzuha sur ce que tout le monde lui cache. Plus tard, Rintaro reçoit soudainement un appel de détresse d'Amadeus, et son Reading Steiner s'active alors et il est envoyé sur une autre ligne mondiale où Kurisu est toujours en vie.

Rintaro se rend vite compte qu'il s'est à nouveau retrouvé dans la lignée du monde alpha où Mayuri est morte, car le Rintaro de cette lignée n'a pas pu sacrifier Kurisu pour la sauver. Réalisant que ce Rintaro venait d'une autre lignée mondiale, Kurisu révèle qu'elle a reconstruit le micro-ondes du téléphone, lui demandant de l'utiliser pour retourner à sa lignée temporelle. Alors que Rintaro se débat avec sa décision, Kurisu l'emmène sur la tombe de Mayuri, l'exhortant à sortir de son rêve. Après avoir conseillé à Rintaro de ne pas trop interagir avec Amadeus, Kurisu embrasse Rintaro avant de lui envoyer un D-Mail, le renvoyant à la ligne mondiale bêta.

Alors que Rintaro revient dans la lignée du monde bêta, où la prise de contrôle d'Amadeus a été empêchée, il découvre que l'ami de Mayuri, Katsumi "Fubuki" Nakase, qui a été hospitalisé après leur effondrement, a des souvenirs de la lignée du monde alpha dans laquelle il se trouvait. Après s'être arrangé pour que Maho reste avec Faris après le cambriolage de son hôtel, Rintaro est interrogé par Suzuha sur le changement de la ligne du monde, révélant qu'il a été causé par des expériences de machines à remonter le temps menées par l'Amérique et la Russie. Craignant de manquer de temps, Suzuha tente de forcer Rintaro à remonter le temps avec elle, mais Daru la convainc d'arrêter. Plus tard, Tennouji informe Rintaro de l'existence d'une organisation connue sous le nom de DURPA, ce qui l'amène à soupçonner qu'ils visent Amadeus afin d'obtenir la théorie de la machine à voyager dans le temps de Kurisu. Rintaro demande à Maho si elle possède des recherches de Kurisu, mais elle lui ment et lui cache le fait qu'elle possède l'ordinateur portable personnel de Kurisu.

Engageant Moeka comme garde du corps, Maho fait repartir Amadeus et reprend les essais avec Rintaro avant de faire une soirée pyjama avec Faris et Moeka. Le lendemain, Rintaro, Maho et Amadeus passent la journée à faire le tour d'Akihabara, pour finir au bâtiment de la radio où Kurisu a été tué. Après que Maho lui ait révélé qu'elle possédait l'ordinateur portable de Kurisu, Rintaro l'avertit que les données qu'il contient vont déclencher la troisième guerre mondiale.

Rencontrant Daru, qui avait été engagé par Maho pour analyser l'ordinateur portable de Kurisu, Rintaro décide de dire la vérité à Maho sur les machines à remonter le temps, l'avertissant qu'elle ne doit pas tenter de l'utiliser elle-même pour sauver Kurisu. Le groupe est alors entouré d'un groupe hostile qui prend Maho en otage, exigeant l'ordinateur portable en échange. Cependant, un autre groupe apparaît et détruit l'ordinateur portable, laissant Maho contrariée de ne pas pouvoir protéger l'héritage de Kurisu. Plus tard, Maho et Alexis retournent en Amérique, mettant ainsi fin au temps de Rintaro avec Amadeus.

Kagari s'effondre à nouveau après avoir entendu Mayuri chanter une chanson, ce qui, selon Rintaro, pourrait être un indice pour retrouver ses souvenirs. Il découvre que Mayuri avait appris la chanson de Suzuha, qui l'avait elle-même apprise de Yuki dans le futur. Yuki révèle ensuite qu'elle avait appris la chanson de la mère de Rintaro, qui prétend que c'est lui qui la lui a chantée quand il a commencé sa phase de savant fou. Alors qu'elle se rend sur la tombe de la grand-mère de Mayuri pour y chercher des indices, Kagari s'étourdit en entendant une chanson à la radio et se fait presque renverser par un camion, après quoi elle retrouve ses souvenirs de Mayuri étant sa mère. Il est alors révélé que Rintaro avait appris la chanson de Kagari elle-même il y a des années, lorsqu'une mystérieuse organisation l'a repérée.

Bien que Kagari ait retrouvé ses souvenirs d'enfance de Mayuri, qui est informée de sa future relation avec elle, Rintaro et Daru restent curieux de ce qui s'est passé au cours des douze dernières années dont elle ne se souvient toujours pas. Lors d'une dispute avec elle, Suzuha remarque une contradiction dans le souvenir de Kagari concernant leur séparation, Tennouji suggérant à Rintaro que cela pourrait être le résultat d'un lavage de cerveau par une tierce personne. Le lendemain, Rintaro part avec Moeka pour enquêter sur un bâtiment abandonné situé près de l'endroit où Kagari a été trouvé, découvrant qu'il s'agit d'une installation secrète où Kagari était retenu prisonnier. Pendant ce temps, alors que Kagari se dirige vers une fête organisée par Mayuri, elle entend une chanson qui fait resurgir d'autres souvenirs, puis elle commence à entendre une voix et disparaît quelque part.

Choqués par une attaque surprise, Suzuha et Daru considèrent l'Amérique comme leur dernier espoir de sauver le monde.

Lassée de la passivité de son père, Suzuha doit faire de Daru un homme avant que Yuki ne se retrouve avec quelqu'un d'autre.

L'entêtement d'Okabe fait voler les poings et verser des larmes à l'approche de la date limite d'utilisation de la machine à remonter le temps.

Alors que Suzuha s'apprête à terminer sa mission, Mayuri trouve sa propre détermination. Mais le désastre frappe.

L'enfer se déchaîne sur la machine à remonter le temps lorsqu'un méchant du futur hante le passé et dévoile son plan diabolique.

La guerre et le désastre sont arrivés, et la seule façon pour Okabe de les arrêter est de compter sur ses amis, sa détermination et son espoir.

Okabe se réveille dans un monde froid et sans vie où il trouve ses amis qui luttent pour survivre au milieu de tout ce chaos.

Se lançant dans un voyage long et ardu, Okabe cherche à raviver son espoir et à faire revivre ce que tout le monde croyait perdu.

Dans leur lutte pour sauver la machine à voyager dans le temps, les membres du laboratoire réfléchissent pour contourner la convergence mais réalisent que cela ne peut se faire sans sacrifice.

Arrivé dans une ligne de monde où Amadeus n'existe pas, Rintaro se dirige vers le toit, recevant l'aide de Moeka pour passer Leskinen. Alors que Rintaro exhorte Mayuri et Suzuha à se diriger vers le passé, Kagari, qui décide de faire confiance à Rintaro, l'aide à retenir l'ennemi juste assez longtemps pour que la machine à remonter le temps puisse partir avec succès avant que l'hélicoptère n'attaque. Arrivée juste avant que Rintaro ne revienne de sa tentative de sauvetage ratée, Mayuri fait appel à son passé et l'encourage à mettre Rintaro sur la bonne voie, après quoi elle et Suzuha sont obligées de sauter dans une période de temps aléatoire pour éviter de provoquer un paradoxe temporel. Le passé Mayuri gifle Rintaro pour le ramener à la raison, puis reçoit un D-mail de Rintaro. En 2025, Rintaro envoie à son passé une vidéo lui indiquant comment sauver Mayuri et Kurisu et atteindre Steins Gate avant de se lancer dans une machine à remonter le temps pour trouver Mayuri et Suzuha. Pendant ce temps, Mayuri et Suzuha sont piégées quelque part sur une terre stérile inconnue en l'an 18 000 avant J.-C. lorsqu'elles voient Rintaro arriver dans sa machine à voyager dans le temps pour les sauver.