Anime ini bercerita tentang Okabe Rintaro, seorang pemuda autis nyentrik yang suka berkhayal dan menyebut dirinya sebagai seorang mad scientist

Bersama dengan ahli komputer bernama Hashida Itaru dan gadis ‘kikuk’ bernama Shiina Mayuri, mereka mendirikan laboratorium kecil untuk bereksperimen terhadap benda-benda elektronik. Lewat sebuah kebetulan luar biasa, mereka tak sengaja menciptakan sebuah mesin waktu sederhana dari hasil modifikasi sebuah handphone dan microwave.

Meski masih sangat primitif, mesin waktu tersebut terbukti benar-benar bisa mengubah masa lalu. Dengan bantuan Makise Kurisu sang gadis jenius, Okabe pun terus melakukan eksperimen demi memahami cara kerja mainan barunya. Layaknya kisah-kisah bertema time travel lainnya, bukan kebahagiaanlah yang mereka dapatkan setelah menciptakan mesin waktu tersebut, melainkan beragam peristiwa mengerikan yang justru timbul akibat adanya mesin tersebut. Okabe dan kawan-kawan terjerumus dalam konspirasi besar ulah organisasi SERN. Dengan segala keterbatasan, mereka harus berjuang untuk menghindari bencana besar yang membuat dunia di masa depan menjadi distopia.