Cuando Okabe va a la conferencia donde doctor Nakabachi presenta su teoría sobre viajes en el tiempo, se topa con Kurisu, la genio de 17 años, quien insiste en que se había encontrado antes con Okabe y que éste le quería decir algo y estaba al borde de las lágrimas, pero Okabe no tiene ni idea de sobre lo que está hablando y, para él, es la primera vez que ve a Kurisu en persona. Okabe encuentra después de la conferencia a Kurisu tirada en el suelo sobre un charco de sangre y le manda un email a su amigo Daru contándole el incidente, tras lo cual ocurre un extraño fenómeno en el que Okabe ve como la gente que caminaba por la calle desaparecía y se encuentra conque la zona había sido acordonada porque un extraño objeto con forma de satélite se había extrellado contra el edificio donde habría tenido lugar la conferencia del doctor Nakabachi, haciendo que se suspenda antes de que hubiera podido comenzar, lo que contradice lo que Okabe acaba de vivir. En un seminario de la universidad se encuentra conque Kurisu está viva y dando una charla sobre la imposibilidad de los viajes en el tiempo. Okabe se acerca a ella diciéndole que la había visto desangrarse e intenta buscar signos de que haya sido apuñalada, pero Kurisu no tiene ni idea de sobre lo que está hablando y, para ella, es la primera vez que ve a Okabe, pero su curiosidad le hace buscar a Okabe y acaba colaborando en sus experimentos.
Okabe tiene un laboratorio en Akihabara en el que se dedica a inventar cachibaches de dudosa utilidad junto su amigo Daru, quien es un super hacker obsesionado con la cultura moe. Mayuri, amiga de la infancia de Okabe, también se pasará por allí para coser trajes para cosplay, siendo ella la segunda miembro del laboratorio y quien apoyó a Okabe con el laboratorio cuando solo eran dos aunque no fuese tan inteligente o tuviera conocimientos científicos. El último invento del laboratorio es el teléfono microondas, que consiste en combinar un teléfono móvil con un microondas para poder activar el microondas a distancia al llamar al teléfono que tiene conectado. Mayuri descubrió por accidente que, al teclear el tiempo que estará activo el microondas colocas el símbolo de almuadilla al final de los minutos en lugar de al principio, el plato del microondas gira en dirección contraria, haciendo que, si se introduce pollo congelado, éste se congele en lugar de calentarse y que los plátanos que se introduzcan pasen a tener una consistencia gelatinosa y un sabor insípido. Daru estaba probando esta función con su teléfono conectado al microondas cuando recibió el mensaje de Okabe sobre la muerte de Kurisu y dicho mensaje lo recibió días antes, como si el mensaje hubiese sido enviado al pasado. Kurisu les pilla en medio de un experimento usando el microondas cuando visita el laboratorio guiada por su curiosidad y se une a la experimentación, negándose a creer que el microondas sea en realidad una máquina del tiempo y teniendo que soportar las tonterías de Okabe, quien ha creado la persona de Hououin Kyoma, un científico loco que busca sembrar el caos, y no para de actuar acorde a esta fantasía, provocando que Kurisu no pare de discutir con él. Okabe descubrirá que mandando ciertos emails se puede alterar el pasado si consiguen convencer a la persona que los recibe para que actúe de forma distinta, pero es el único del laboratorio que puede percibir estos cambios, ya que los demás personajes no tendrán recuerdos de la línea de tiempo anterior, lo que causará cierta desconexión en Okabe.
Kurisu, Okabe y Daru irán experimentando con el teléfono microondas mientras descubren una conspiración perpretada por el SERN, la organización francosuiza de investigación nuclear, por la cual están experimentando con seres humanos para dominar los viajes en el tiempo, causándoles la muerte a los sujetos de prueba al convertirse sus cuerpos en gel al pasar por el proceso de viaje en el tiempo. Esto lo descubrieron cuando Okabe le pide a Daru que hackee el SERN al leer en un foro de internet la publicación de John Titor, que afirmaba ser un viajero en el tiempo que venía a nuestra era a evitar que el SERN usara la tecnología de viajes en el tiempo para crear una distopía totalitaria. John Titor acabará poniéndose en contacto con Okabe y le pide que sea el salvador del mundo, pero ésto supone un gran peso sobre los hombros de Okabe que no está preparado para cargar. Kurisu usa sus conocimientos sobre neurociencia, su verdadera especialidad, para modificar el teléfono microondas para que envíe la conciencia de una persona al pasado, todo esto con tal de adelantarse al SERN en la fabricación de la máquina del tiempo y destapar su conspiración, pero un grupo de agentes armados enviados por el SERN irrumpen en el laboratorio para impedirlo, matando a Mayuri en el proceso.
Okabe intenta usar la máquina del tiempo para salvar a Mayuri, pero tiene que verla morir una y otra vez, ya que las líneas temporales por las que viaja confluyen todas en la muerte de Mayuri, como si su muerte fuese cosa del destino, y no importa lo que Okabe haga, que Mayuri morirá de una forma u otra a la misma hora, si no a manos del SERN lo hará en un accidente. Kurisu acaba dándose cuenta de que Okabe ha estado usando la máquina del tiempo sin parar y le ofrece su ayuda para salvar a Mayuri por lo que Okabe siempre contará con la ayuda de Kurisu en todas las líneas temporales en las que viaje aunque Kurisu no tenga recuerdos de lo que pasó en las otras líneas. Okabe tendrá que deshacer todos los cambios en el tiempo que provocó mientras experimentaba con el teléfono microondas para alcanzar la línea temporal en la que el SERN no averigua la existencia de su máquina del tiempo y Mayuri no muere, aunque Okabe no caerá en la cuenta de las consecuencia que eso conllevará hasta que está a un paso de conseguirlo.
Este anime es la adaptación de la novela visual Steins;Gate. La adaptación es fiel la mayor parte del tiempo, teniendo una buena dirección y un ritmo más rápido, aunque, a causa de ésto último, se obviaron explicaciones sobre las teorías de viajes en eltiempo y el funcionamiento de agujeros negros. También se obvió al Comité de los 300, la organización de personas influyentes que está detrás del SERN, lo que hace que se pierda la conexión con las otras obras de la saga Science Adventure a la que pertenecía la novela visual original. Es en la segunda parte de este anime donde hay más cambios con respecto a la obra original, ya que se obvian muchas escenas de la novela visual y se cambian las acciones de cierto personaje, lo que cambia radicalmente a dicho personaje y sus motivaciones para peor.
