El autoproclamado científico loco Rintarou Okabe alquila una habitación en un viejo y destartalado edificio de Akihabara, donde se dedica a su afición de inventar futuros "artilugios" con sus compañeros de laboratorio: Mayuri Shiina, su amigo de la infancia con cabeza hueca, y Hashida Itaru, un pervertido hacker apodado "Daru". Los tres pasan el tiempo jugando con su artilugio más prometedor hasta ahora, una máquina llamada "Teléfono Microondas", que realiza la extraña función de transformar plátanos en pilas de gel verde.

Aunque milagroso en sí mismo, el fenómeno no aporta nada concreto a la búsqueda de Okabe de un avance científico; es decir, hasta que los miembros del laboratorio se vean impulsados a la acción por una serie de misteriosos acontecimientos antes de tropezar con un éxito inesperado, el Teléfono Microondas puede enviar correos electrónicos al pasado, alterando el flujo de la historia.

Adaptado de la aclamada novela visual de 5pb. y Nitroplus, Steins;Gate lleva a Okabe a través de las profundidades de la teoría científica y la practicidad. Forzado a través de los hilos divergentes del pasado y el presente, Okabe debe asumir las cargas que conlleva tener la llave del reino del tiempo.