Mikado Ryūgamine es un joven que anhela la apasionante vida de la gran ciudad. Por invitación de su amigo de la infancia Masaomi Kida, decide trasladarse a un instituto en Ikebukuro, Tokio. Masaomi le advierte acerca de la gente que no debe cruzar en la ciudad: un hombre violento vestido como un camarero, un comerciante de información y una banda misteriosa llamada "Dollars". Para colmo, Mikado es testigo de una leyenda urbana en su primer día en la ciudad: el motociclista negro, quien supuestamente es el conductor sin cabeza de una motocicleta color negro. La historia sigue a todos los personajes por igual, mostrando poco a poco cómo todo lo que ocurre está interconectado, formando un a gran trama a partir de pequeñas subtramas.

 Tras una serie de incidentes ocurridos los días 14 y 15 de agosto, un grupo de chicos y chicas, cada uno con su propio poder único, acaba reunido. Los miembros se hacen llamar el "Mekakushi Dan" (La organización de la venda en los ojos). Su objetivo es resolver los misterios tras varios incidentes para descubrir la verdad.

Ryota Sakamoto es un joven desempleado de 22 años de edad que vive con su madre. En el mundo real, puede no haber nada realmente especial acerca de él, pero en línea, es uno de los mejores jugadores del mundo del juego de combate llamado Btooom!. Un día, se despierta en lo que parece ser una isla tropical, aunque él no recuerda nada de cómo o por qué ha llegado a estar allí. Mientras que vaga por ahí, Ryōta ve a alguien y pide ayuda. El extraño responde lanzandole una bomba, en ese momento se da cuenta que su vida está en peligro y que de alguna manera ha quedado atrapado en una versión real de su juego favorito; podrá Ryōta ser capaz de sobrevivir el tiempo suficiente para averiguar cómo y por qué terminó aquí?

Ryūko Matoi es una chica que viaja con la mitad de una gran tijera roja, buscando al manipulador de la otra mitad, quien ha asesinado a su padre. El destino la lleva a la Academia Honnōji, una escuela secundaria que vive bajo un régimen de terror, bajo el mando del temible concilio estudiantil, liderado por el presidente estudiantil, Satsuki Kiryūin, quien usa poderosos uniformes para aplastar al que se cruce en su camino. Luego de sufrir una lamentable derrota a manos de Satsuki, Ryūko se encuentra un uniforme escolar poseído llamado Senketsu, el cual se coloca en Ryūko, dándole habilidades especiales. Junto a Senketsu, Ryūko se yergue ante Satsuki y el concilio estudiantil para liberar a la Academia Honnōji de la argolla de hierro que la domina y encontrar la verdad detrás del asesinato de su padre.

Koyomi Araragi es un estudiante de tercer año de secundaria que casi logra volver a ser humano, luego de haber sido vampiro por unos instantes. Un día, una compañera de clase llamada Hitagi Senjougahara, quien es conocida por no hacerle caso a nadie, cae de las escaleras a los brazos de Koyomi. Este descubre que Hitagi pesa muy poco, desafiando las leyes de la física. Despues de ser amenazado por ella, él le ofrece su ayuda. Después Koyomi le presenta a Meme Oshino un vagabundo que le ayudo a evitar convertirse en vampiro. 

Una chica con una enfermedad terminal, llamada Himari Takakura, es salvada de la muerte por un extraño espíritu que reside en un sombrero con forma de pingüino. Sin embargo, a cambio de extender su vida, el espíritu encomienda a sus hermanos, Kanba y Shouma, a buscar un objeto conocido como el Penguin Drum, con ayuda de un trío de extraños pingüinos.

La historia de Steins;Gate comienza el 28 de julio de 2010, en Akihabara, con Rintarō Okabe y Shiina Mayuri en dirección al edificio de Radio Kaikan. Dentro del edificio, Rintarō encuentra el cuerpo de Kurisu Makise con un charco de sangre en una habitación. Se va del edificio con Mayuri en estado de pánico y envía un mensaje de texto a Hashida Itaru sobre el incidente, entonces toda la gente alrededor de él de repente se desvanece. Reaparecen momentos más tarde, pero nadie a su alrededor parece haber experimentado el mismo fenómeno que el sintió.

Más tarde Rintarō y Hashida Itaru van al edificio de Radio Kaikan. Rintarō explica lo que ha pasado a Hashida y luego, menciona que recibió un mensaje de texto similar a lo descrito Rintarō hace una semana. En ese momento se dan cuenta de que su horno de microondas puede enviar mensajes de texto al pasado, y nombran a estos mensajes «D-mail» (D メール D meru?). Los personajes más tarde descubren que SERN, una organización que ha estado investigando el viaje en el tiempo desde hace algún tiempo, en realidad ha tenido éxito en el envío de seres humanos en el pasado a pesar de que parece que han dado como resultado la muerte de los sujetos de prueba. Después Kurisu mejora el microondas con la posibilidad de enviar recuerdos en el tiempo, permitiendo una efectiva forma para viajar atrás en el tiempo.