Tras volver a la línea temporal en la que vio morir a Kurisu, Okabe recibe la visita de una viajera del tiempo que le dice que detener la tercera guerra mundial depende de evitar la muerte de Kurisu. Okabe se sube a la máquina del tiempo para intentar salvar a Kurisu, pero falla tan estrepitosamente que le afecta psicológicamente a tal grado que no quiere volver a intentarlo, ya que también teme que lo sucedido se vuelva a repetir. Tras esto Okabe intenta seguir con su vida mientras recibe tratamiento para su trastorno de estrés postraumático. Mientras intenta seguir con su vida y ser un universitario normal, Okabe conoce en una conferencia al profesor Leskinen y a su ayudante Maho, quienes pertenecían al mismo laboratorio de investigación que Kurisu y presentarían Amadeus, su último proyecto, que consiste la creación de una inteligencia artificial basada en Maho que usa los recuerdos digitalizados de ella para crear una copia digital de su personalidad. Al enterarse de que Okabe era amigo de Kurisu, Maho le pide que le ayude en su investigación. Maho le muestra que habían desarrollado mediante el proyecto Amadeus una versión de inteligencia artificial de Kurisu y le pide que hable con ella a menudo para observar como se comporta al interactuar con un amigo.
La viajera en el tiempo se ha tenido que quedar en la época actual a la espera de que Okabe cambie de idea y decida volver a intentar salvar a Kurisu mientras distintas facciones han empezado a moverse en busca de apoderarse de la tecnología del viaje del tiempo, lo que acabaría siendo el detonante de la tercera guerra mundial. Mientras tanto, se encarga de buscar a Kagari, la hija adoptiva de la Mayuri del futuro que viajó con ella para escapar de la guerra. La viajera del tiempo le perdió el rastro cuando hizo una parada en 1999, así que Kagari ya debe ser adulta. En su investigación descubrirá que no es la única que la ha estado buscado y la otra parte que está detrás de Kagari no parece tener buenas intenciones.
Okabe muestra mucha resistencia a volver a viajar en el tiempo y pasa el tiempo con la Kurisu de Amadeus, llegando a dejar que sirva como sustituta de la Kurisu real, lo que hace que Maho se preocupe e intervenga. Maho también ha quedado muy afectada por la muerte de Kurisu, pero no puede evitar sentirse inferior a ella y compararse ella misma con el Salieri retratado en la película «Amadeus», donde se mostraba como alguien que sentía celos del talento de Mozart.
Al enterarse de que Kurisu consiguió construir una máquina del tiempo, Maho intentaría crear una por su cuenta, aun si no contaba con el genio de Kurisu y a pesar de que Okabe le había pedido que le prometiera que no intentaría evitar la muerte de Kurisu, ya que a él los viajes en el tiempo solo le habían causado dolor y teme que lo que hizo para evitar la muerte de Mayuri sea en vano y su amiga de la infancia vuelva a morir. Mientras, Mayuri no soporta ver a un Okabe atormentado y ansía que vuelva a ser aquel joven inmaduro que se creía un científico loco y desea más que nada volver a escuchar la risa malvada de Hououin Kyouma. Se arrepiente de no haber hecho que Okabe volviera a intentar salvar a Kurisu y siente que debe tomar la iniciativa para cambiar lo que sucedió entonces.
Esta serie animada adapta la novela visual de Steins;Gate 0, teniendo que ordenar los eventos de la novela visual original que ocurren en distintas rutas en una sola historia linear que tenga sentido, lo que también llevó a ciertos cambios argumentales para conservar la coherencia. Esta historia explora la línea temporal del Okabe que, tras fallar al tratar de salvar a Kurisu, pasó años en idear la el plan para hacerlo con éxito, la operación Skuld, mostrando como un Okabe destrozado psicológicamente por los eventos por los que tuvo que pasar en la serie original acaba resurgiendo de sus cenizas como un fénix.
