Akcja rozgrywa się rok po wydarzeniach z serii anime. Po przejściu przez żmudną drogę przez wiele Linii Świata z powodu wynalezienia D-Maila wysyłanego w przeszłość, Rintarou Okabe przypuszczalnie wylądował w Bramie Steina - Linii Świata, w której żaden z jego przyjaciół nie będzie musiał ginąć, a przyszłość rządzona przez SERN przez wynalezienie maszyny czasu już nie istnieje. Jednak Rintarou zaczyna odczuwać skutki uboczne swojej nieustannej podróży przez Linie Świata, które nagle narastają i porywają Rintarou z egzystencji. Tylko Kurisu Makise, dziewczyna którą uratował, pamięta go przez déjà vu. Teraz Kurisu musi znaleźć sposób, żeby sprowadzić Rintarou z powrotem.