Numa conferência sobre viagens no tempo, o cientista Rintarō Okabe depara-se com uma mulher misteriosa que, após afirmar tê-lo conhecido 15 minutos antes, é esfaqueada.

Okabe é visitado por um autoproclamado viajante no tempo e realiza o primeiro teste bem-sucedido do seu micro-ondas do tempo, usando uma banana.

Okabe descobre que o seu micro-ondas envia mensagens para o passado e, ao conseguir entrar na rede SERN, descobre um segredo chocante.

John Titor diz a Okabe que não conseguirá descodificar os ficheiros SERN sem um computador IBN 5100, um modelo raro que prova ser difícil de encontrar.

Okabe descobre os detalhes macabros das experiências de viagens no tempo da SERN e recebe um aviso de Suzuha acerca de Kurisu.

Okabe manda SMS ao passado e tenta em vão impedir Moeka de se inteirar acerca do que ele está verdadeiramente a fazer.

Quando Okabe altera o tempo com uma mensagem para o passado, os efeitos levam Titor a acreditar que Okabe pode salvar o mundo de um futuro distópico.

Okabe continua a fazer experiências com as mensagens para o passado, causando mudanças no mundo das quais apenas ele se lembra e tentando fazer Ruka renascer como mulher.

Uma das alterações no tempo leva a que o crucial computador IBN 5100 desapareça, e outra causa mudanças nas propriedades físicas da cidade.

Okabe recebe uma mensagem ameaçadora e Suzuha, incapaz de encontrar o pai, regressa a casa sem se despedir.

Quando Okabe descobre que um televisor na loja de reparações está ligado à capacidade de enviar SMS para o passado, Kurisu julga ser possível enviar emoções através dele.

Kurisu termina a sua nova máquina do tempo, que pode transmitir emoções ao passado, e Suzuha receia que ela venha a tornar-se espia da SERN.

Okabe usa a máquina do tempo para tentar impedir que Mayuri seja morta, mas cedo descobre que a missão não é tão simples quanto julgava.

Com Okabe destroçado por não ter conseguido salvar Mayuri, Kurisu tenta explicar-lhe que pode ser impossível fazê-lo e Suzuha revela algo surpreendente.

Suzuha revela como o plano da SERN levará a um governo totalitário em 2036. Okabe e o resto da equipa partem em busca do pai de Suzuha.

Okabe encontra o pai de Suzuha, mas a sua tentativa de volta a juntar os dois leva a uma tragédia que ele tenta corrigir com a máquina do tempo.

Ao descobrir que Mayuri continua destinada a morrer, Okabe trabalha com Kurisu para reverter os efeitos dos SMS para o passado, que mudaram irreversivelmente o tempo.

Okabe tenta convencer Ruka de que, originalmente, ela era um homem e que só poderão salvar a vida de Mayuri se desfizerem os efeitos dos SMS para o passado.

Quando Okabe descobre que Moeka se suicidou, tenta reverter o ato através de SMS para o passado, fazendo com que Moeka se sinta traída.

Okabe localiza o IBN 5100 e descobre a identidade do misterioso FB, mas percebe que reaver o computador implica perder Kurisu.

Okabe espera conseguir manter Kurisu viva ao não tirar partido do IBN 5100, mas cedo percebe que ou ela, ou Mayuri terão de morrer na versão beta do mundo.

Kurisu persuade Okabe a deixá-la morrer e a Mayuri viver. Quando Okabe destrói o micro-ondas, recebe uma mensagem urgente de Suzuha.

Okabe viaja ao passado com Suzuha para o momento que antecedeu a morte de Kurisu, onde testemunham a alvorada da corrida ao armamento que dá início à 3.ª Guerra Mundial.

Okabe faz um sacrifício pessoal numa tentativa de restabelecer a ordem normal das coisas e salvar a vida dos seus parceiros.