Takumi es un joven de 17 años que lo único que lo separa de ser un hikikomori es que va al instituto lo mínimo exigido para poder graduarse. Es un perdedor otaku espeluznante que utiliza el anime y los videojuegos para escapar de la realidad y que evita interactuar con las personas reales porque teme que le hagan daño. Vive solo en un container acondicionado como vivienda el cual tiene lleno de basura y de figuritas de personajes femeninos de anime a quien llama sus esposas, entre la que destaca la figura de Seira, con la que tiene delirios en los cuales habla con ella. La vida de Takumi daría un vuelco cuando, mientras volvía a casa, se topa con un asesinato. La víctima estaba clavada a la pared mediante un gran número de estacas en forma de cruz y frente a ella estaba una joven cubierta de sangre, con una estaca en la mano y con el uniforme del instituto de Takumi. Este asesinato es el tercero de una serie de asesinatos grotescos cometidos en Shibuya que los medios han decidido bautizar como Locura de Nueva Generación. Los asesinatos seguirían siendo cometidos mientras Takumi vive aterrado de ser la siguiente víctima por haber presenciado el asesinato, a lo que se suma de que, antes de que ocurriera, un tal Shogun le mandó por un chat las imágenes del asesinato.
Takumi no puede evitar sentirse paranoico y temer que cualquiera que se le acerque podría trabajar para Shogun y planear matarlo. Con las únicas personas reales con las que se relaciona son Misumi, un mujeriego popular con las mujeres que por alguna razón es el único compañero de clase que le habla, y su hermana de 16 años Nanami, que va a visitarle de vez en cuando a su casa para comprobar que sigue vivo y, aunque a Takumi le resulte molesta, Nanami se preocupa por él y actúa como si fuera la hermana mayor. Esta desconexión del mundo exterior hace que la historia adquiera una atmósfera opresiva al no tener Takumi nadie a quien acudir. A esto se le suma que una de las víctimas de la Locura de Nueva Generación apareció con la frase «¿De quién son esos ojos?» escrita con sangre, frase que Takumi suele utilizar en sus pensamientos cuando siente que es observado por lo que el llama la mirada de Dios, pero no le ha dicho esa frase a nadie. Esto solo aumenta el miedo de Takumi, que siente como Shogun se está dirigiéndose directamente a él con este acto para burlarse y Takumi teme que pueda leer sus pensamientos.
A Takumi se le acercará Yua, quien va a su mismo instituto, con la excusa de pedirle consejos sobre figuras de anime, pero en realidad lo está investigando porque sospecha que está detrás de los asesinatos de la Locura de la Nueva Generación. Yua perdió a su hermana gemela Mia en el primer asesinato, en el que un grupo de adolescentes fueron obligados a saltar desde lo alto de un edificio haciéndolo parecer un suicidio colectivo, y Yua está determinada a descubrir la verdad sobre el caso.
Takumi se topará con Ayase, la cantante de un grupo que va al mismo instituto que Takumi cuyas canciones parecen profetizar los asesinatos de la Locura de Nueva Generación y que sostiene una extraña espada que parece que solo Takumi puede ver. Ayase habla con términos místicos, sobre una profecía que cuenta como siete caballeros negros se reunirán para vencer al rey de los corazones malvados y le insta a Takumi que busque su propia espada para alcanzar la salvación. Esto contrasta con Sena, otra estudiante del mismo instituto se pasea por Shibuya con otra de estas extrañas espadas y le da a Takumi una explicación basada en la física cuántica del fenómeno. Las espadas, llamadas Di-Swords, son en realidad un delirio y la manifestación del poder de hacer que los delirios de quien la porte se vuelvan realidad enviando antipartículas al punto ciego de la percepción de alguien más para crear una percepción compartida que transforma la realidad. Sena le cuenta a Takumi que existe una patente de un dispositivo que es capaz de hacer eso mismo sin la necesidad de alguien con el poder de una Di-Sword, una máquina que es capaz de controlar la percepción de las personas y, por lo tanto de su comportamiento. Sena sabe esto porque está luchando activamente usando su Di-Sword contra quienes están detrás de usar esta tecnología para su beneficio ya que de cierta manera está involucrada personalmente. La última usuaria de Di-Sword que aparece alrededor de Takumi es Kozue, una estudiante de intercambio asignada a la clase de Takumi que apenas habla y no se relaciona con nadie pero, la primera vez que vio a Takumi se dirigió a él porque reconocía que era como ella.
A Takumi se le acercará la joven que vio junto a la víctima crucificada y ésta se comporta como si tuviera una relación de amistad con Takumi que éste no puede recordar. Takumi comprobará que esta chica no solo pertenece a su misma clase, sino que, cuando le pregunta a Misumi, éste no solo la conoce, sino que afirma que es la razón por la que Takumi y él son amigos en primer lugar. Takumi es el único que no se acuerda de ella, pero le viene a la mente su nombre, Rimi. Al principio Takumi está aterrado de que Rimi le vaya a matar, pero ella se muestra extremadamente amistosa con él y, cuando está sobrepasado emocionalmente por las circunstancias, es Rimi quien le ofrece su apoyo emocional, aunque Takumi empieza a depender demasiado de ella.
Takumi resultaría poseer un gran poder ya que podía hacer sus delirios realidad sin necesidad de poseer una Di-Sword. Pero su poder está desperdiciado en alguien cobarde y con baja autoestima que no está a la altura para enfrentarse a la gran conspiración que está ocurriendo en Shibuya y que amenaza al mundo entero. Pero quizás incluso alguien tan patético consiga reunir el valor para enfrentarse al poderoso enemigo que está detrás de todo esto si tiene algún motivo por el que luchar, algo preciado por lo arriesgar la vida.
Imágenes tomadas de la versión de PC de Chaos;Head Noah sin aplicar el parche Overhaul
Takumi es capaz de controlar en cierta medida sus delirios y en ciertas partes de la historia podrás elegir entre que Takumi tenga un delirio positivo, que en muchas ocasiones resulta ser una fantasía sexual con el personaje femenino que tiene delante; un delirio negativo, que suelen consistir en sucesos aterradores, o podrás elegir que Takumi no tenga ningún delirio en absoluto. Después de presenciar el delirio Takumi se despertará como de un sueño y la historia seguirá independiente de la opción que hayas elegido, pero los delirios que escojas determinarán que final obtendrás, aunque en la primera partida solo podrás obtener el primer final, en el cual la mayoría de misterios se desvelan. Una vez que hayas visto el primer final podrás obtener otros siete. Uno de ellos se obtiene al elegir unos delirios concretos. La pista sobre que delirios escoger está en que en la pantalla de compleción se registra el porcentaje de las veces que has visto la frase «¿De quién son esos ojos?» durante las alucinaciones. Necesitas en una partida conseguir ver un determinado número de estas frases para desbloquear este final, pudiendo estar estas frases tras cualquiera de las tres opciones que tienes cuando se te da elegir un delirio y el hecho de que no necesites conseguirlas todas te da cierto margen de error. Si cumples con los requisitos, los hechos del último capítulo cambiarán y podrás presenciar otro final. Los otros seis finales están vinculados a las otras seis usuarias de Di-Sword. Para desbloquear las rutas de estos seis personajes deberás primero escoger una opción concreta en determinada decisión, a menudo en la primera ocasión que aparezca la opción de generar un delirio relacionado con cada personaje. Si escoges la opción correcta y no has desbloqueado la ruta de otro personaje se te presentará una serie de preguntas de sí o no. Si las contestas todas correctamente habrás desbloqueado la ruta de un personaje, aunque la única manera que tienes de saber si lo has hecho bien es que, si tu versión del juego usa un sistema de logros, te saltará uno. Una vez desbloqueada la ruta la historia transcurrirá de la misma manera, añadiendo una pocas escenas donde podremos ver el punto de vista del personaje el que se centra la ruta y es a partir de cierto punto en la historia en el cual la historia se desvía y contará una historia centrada en la relación de este personaje con Takumi. Una vez que hayas conseguido los demás finales y hayas visto las otras facetas de las usuarias de Di-Sword aparecerá en el menú principal una nueva opción, «Cielo azul», la cual te hará presenciar el final verdadero, aquel en el cual Takumi consigue no solo acabar con la conspiración que amenaza el mundo, sino que consigue encontrar el cielo azul y obtener un final feliz en el que se permite existir.
Este juego dispone de textos en inglés y voces en japonés. Existe un parche, CHAOS;HEAD NOAH Overhaul Patch, que remueve la censura de la versiones de Steam, Gog y Switch, además de de ofrecer una nueva traducción que hace que los términos utilizados en toda la saga de Science Adventure sean consistentes.
