Steins;Gate bercerita tentang Okabe Rintaro, seorang ilmuan gila (mad scientist) yang sering mengkhayal dan aneh. Bersama Itaru Hashida (Daru) dan Mayuri Shiina, ia bekerja meneliti sebuah gadget microwave yang memiliki kemampuan mengubah sebuah pisang menjadi gel-bana, yaitu sebuah pisang berwarna hijau menyerupai gel. Ceritanya berawal saat Rintaro pergi ke sebuah konferensi pers mengenai pembuatan mesin waktu yang dibawakan oleh Professor Nakabachi. Pada saat itu, Rintaro bertemu dengan seorang gadis bernama Makise Kurisu. Anehnya, meski Rintaro belum pernah bertemu dengannya sebelumnya, Makise mengaku bahwa dirinya bertemu dengan Rintaro 15 menit yang lalu.
Setelah berpisah, Rintaro menemukan mayat Makise di lantai atas gedung tersebut. Karena panik, ia mengirim sebuah SMS kepada Daru, namun saat mengirimnya, terjadi sebuah keanehan. Rintaro tiba-tiba kembali berada di luar gedung, namun di atap gedung tertancap sebuah satelit. Dalam kebingungan, Rintaro menyadari dari penjelasan Daru bahwa konferensi pers yang seharusnya ia datangi dibatalkan, dan SMS yang ia kirim kepada Daru ternyata dikirim ke waktu 1 minggu sebelumnya. Makise yang seharusnya terbunuh, ternyata masih hidup. Dari sini, Rintaro menyadari bahwa ia telah mengirimkan SMS ke masa lalu yang menyebabkan masa sekarang menjadi berubah. Rintaro kemudian mendapat informasi tentang John Titor, seorang penjelajah waktu dari tahun 2036 yang sempat populer pada masa 2000-2001. Anehnya, ia mendapati koleksi bukunya dan referensi Google mengenai John Titor menghilang.
Singkat cerita, Okarin, dari sudut pandangnya, berusaha mencerna apa-apa persisnya yang baru terjadi. Semuanya ternyata berhubungan dengan peralatan baru yang tengah mereka kembangkan: suatu gabungan ponsel dan sebuah oven microwave yang mereka namai “telepon microwave” (nama sementara :D). Bersama Makise Kurisu yang kemudian menjalin kerjasama dengan mereka karena tertarik dengan fenomena gel yang dihasilkan oleh telepon microwave, Okarin dan kawan-kawannya kemudian mengetahui bahwa telepon microwave yang mereka ciptakan ternyata memiliki kemampuan untuk mengirimkan pesan-pesan teks lewat ponsel ke masa lalu. Kekhawatiran Okarin akan hal-hal aneh yang terjadi di sekelilingnya kemudian memuncak saat ia menyadari bahwa dirinya dan kawan-kawannya ternyata tengah diawasi oleh suatu pihak misterius yang bernama SERN. Di permukaan, mereka adalah lembaga keilmuwan yang memegang perangkat hadron-particle collider terbesar di dunia. Tapi ternyata pengawasan penuh SERN atas aliran informasi dari penelitian Okabe dkk sebenarnya hendak memanfaatkan teknologi manipulasi waktu yang mereka temukan.
