Cuando Okabe va a la conferencia del doctor Nakabachi sobre viajes en el tiempo, se encuentra una vez la conferencia ha terminado con una joven, Kurisu, tumbada en el suelo bajo un charco de sangre. Cuando Okabe le manda un email a su amigo Daru sobre el incidente, Okabe presencia como la gente que estaba en la calle desaparece y la calle se queda desierta. El lugar estaba acordonado porque un objeto que parece un satélite se había incrustado en el edificio donde tendría que haber tenido lugar la conferencia de Nakabachi, haciendo que dicha conferencia fuese cancelada, lo que contradice los recuerdos de Okabe, donde esa conferencia sí tuvo lugar. Más tarde, cuando Okabe asiste a un seminario de la universidad, ve como Kurisu, a la que creía muerta, es la encargada de dar la lección. Okabe la confronta sobre el incidente que presenció, pero Kurisu no tiene señales de haber sido apuñalada. Este encuentro despertaría la curiosidad de Kurisu y haría que ella se aproximara a Okabe.
Okabe, pese a ser ya un estudiante universitario, es un inmaduro con fantasías infantiles. Ha creado la persona de Hyouin Kyoma, un científico loco arrogante y pomposo que busca sembrar el caos y que es perseguido incansablemente por una organización sumamente poderosa que opera desde las sombras, y a menudo interpreta ese personaje sacado de una serie infantil, pidiendo a la gente que lo llame por ese nombre y hasta tiene una ridícula risa malvada. Okabe fundó hace unos meses un laboratorio en un apartamento en Akihabara con un alquiler muy barato y se dedica a fabricar artilugios de dudosa utilidad junto a su amigo Daru, quien es un super hacker que está demasiado obsesionado con la cultura moe. Mayuri, la amiga de la infancia de Okabe, también forma parte del laboratorio, pero se limita a visitarlo y a ejercer su afición de coser disfraces para hacer cosplay para sus amigas. El último invento del laboratorio consiste en unir un microondas y un teléfono móvil para poder encender el microondas de forma remota haciendo una llamada pero, por accidente, Okabe y Daru hicieron que este invento pueda mandar emails atrás en el tiempo. Kurisu llegaría al laboratorio a tiempo para presenciar por casualidad los experimentos que estaban realizando Okabe y Daru con el microondas, lo que haría que se uniera al laboratorio como su cuarto miembro para investigar el fenómeno, temiendo que fuera algo peligroso. Kurisu es una genio que, a sus 18 años, no solo se ha graduado en una universidad en Estados Unidos sino que ha conseguido publicar su tesis en una prestigiosa revista científica y domina tanto el campo de la física como el de la neurociencia, el cual es su verdadera especialidad.
Cuando, al experimentar con el microondas cambian algún evento del pasado, Okabe es el único que se da cuenta del cambio en la línea temporal, ya que las memorias del resto de personas se han modificado junto con el cambio en la línea temporal. Okabe llamará a esta habilidad de poder notar los cambios en la línea temporal Reading Steiner, un nombre que es un desastre gramatical que mezcla dos idiomas y que es propio de un manga infantil. A su vez, Okabe mandaría a Daru a hackear a cierta agencia franco suiza dedicada a la investigación de la física de partículas, SERN, ya que en cierto foro japonés de internet John Titor, alguien que afirma ser un viajero en el tiempo, afirma que el SERN está investigando los viajes en el tiempo, investigación que le permitirá instaurar una distopía en el futuro donde SERN tenga el control absoluto del mundo a través de los viajes en el tiempo. Al realizar el hackeo del SERN con éxito, Daru, Okabe y Kurisu descubrirán que lo que decía John Titor era cierto y que estaban realizando experimentos con seres humanos que acababan con sus muertes, lo que les motiva para construir antes una máquina del tiempo funcional y anunciar su invención públicamente para desbaratar los planes del SERN.
Kurisu utiliza su conocimiento en neurociencia para fabricar un dispositivo que pueda digitalizar las memorias de una persona para poder enviarlas a su yo del pasado mediante una llamada a su teléfono móvil usando el mismo mecanismo que el de enviar emails al pasado. Aunque al principio deciden no usarlo, Okabe se verá obligado a depender de esta máquina del tiempo cuando su laboratorio sea asaltado por agentes del SERN y Mayuri sea asesinada. Saltando atrás en el tiempo intenta escapar con Mayuri, pero solo consigue fracasar una y otra vez, viendo a su amiga de la infancia morir innumerables veces, cada vez de una manera distinta pero siempre acabando en el mismo resultado, como si el destino ya hubiera decidido que Mayuri debe morir y se niega a cambiar.
Destrozado, Okabe decide pedirle ayuda a Kurisu. Usando la información sobre el funcionamiento sobre lineas temporales que les acaba proporcionando John Titor cuando le conocen en persona, Okabe y Kurisu se disponen a planear la manera de evitar la muerte de Mayuri. Esto solo lo podrán lograr cambiando la línea temporal lo suficiente para que la causa que lleva a la muerte de Mayuri no tenga lugar, para lo que tendrán que deshacer todos los cambios al pasado que hicieron durante los experimentos.
Este juego tiene seis finales y la estructura de la historia es que, en ciertos puntos, tendrás que tomar la decisión de enviar un email al pasado para deshacer los efectos que otro causó, aunque cada decisión implica hacer un gran sacrificio. Si no lo envías obtendrás un final estando cada final asociado a la relación romántica con un personaje femenino. De lo contrario, la novela visual seguirá hasta la siguiente bifurcación. También puedes interactuar contestando a los emails que irás recibiendo durante el juego seleccionando ciertas palabras destacadas que determinarán tu repuesta. El final de Kurisu solo se podrá conseguir si, mediante tus respuestas a sus emails, haces que se haga más cercana a Okabe. De otra manera conseguirás el final de Mayuri. Para conseguir el final verdadero deberás responder a una serie de emails de Kurisu con las respuestas correctas, siendo esto sumamente difícil sin usar una guía. Si lo haces correctamente, la historia irá por el mismo camino que con el final de Kurisu hasta que Okabe reciba la llamada de una ayuda inesperada que le ofrecerá una oportunidad de burlar el destino por segunda vez y deshacer su último sacrificio. Este será el plan más loco de Hououin Kyouma, la operación Skuld, donde primero deberá descender hasta el abismo de la desesperación para renacer como un fénix y poder abrir el camino a la línea temporal Steins Gate, una línea temporal nunca antes observada libre de las ataduras del destino.
Este juego tiene textos en inglés y voces en japonés. Hay disponible un parche al español hecho por fans.
