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Der "Mad Scientist" Okabe Rintarou lernt auf einem Seminar zum Thema Zeitreise die Wissenschaftlerin Makise Kurisu kennen. Obwohl er sie noch nie zuvor gesehen hat, behauptet diese, ihn bereits zu kennen.

Okabe ist überrascht erneut auf Kurisu zu treffen. Diese demütigt ihn mit ihrer überheblichen Art während eines Vortrages über Zeitreisen. Kurz darauf lernt Okabe die neue Assistentin seines Vermieters kennen, Suzuha Amane.

Kurisu bekommt Wind von Okabes Experimenten und bittet darum, sich einmal die seltsame Mikrowelle im Labor ansehen zu dürfen. Okabe stellt ihr jedoch die Bedingung, dass sie ein Labormitglied werden muss.

Um Informationen über SERNs Experimente zu entschlüsseln benötigt Daru einen IBN 5100 Computer. Okabe erfährt von Titor wo er eines dieser Geräte finden kann.

Nachdem Suzuha erstmals auf Kurisu traf, warnt sie Okabe vor dem Labormitglied. In der Zwischenzeit gelingt es Daru, die geheimen Daten von SERN zu entschlüsseln und ein schreckliches Geheimnis kommt ans Licht.

Die Labormitglieder rund um Okabe versuchen mit weiteren Experimenten die Regeln und Grenzen bezüglich der neu entdeckten D-Mails zu erkunden. Plötzlich taucht Moeka im Labor auf und möchte sich den IBN 5100 ausleihen.

Daru modifiziert das Handy zur Steuerung der Mikrowelle und Okabe versucht die Vergangenheit durch ein Experiment mit einem Lotterielos zu verändern.

Okabe erzählt den Labormitgliedern von seiner Entdeckung der Verschiebung der Weltlinien und das er der einzige zu sein scheint, der sich an die vorherige Weltlinie erinnern kann.

Okabe entdeckt, dass nach dem letzten D-Mail Experiment der IBN 5100 aus dem Labor verschwunden ist. Währenddessen zeigt Faris großes Interesse an der Mikrowelle und den Tests der Labormitglieder.

Nachdem Faris ihre D-Mail gesendet hat, bemerkt Okabe, dass die Moe-Kultur gänzlich aus Akihabara verschwunden. Ebenso fällt ihm auf, dass Ruka sich auf markante Weise verändert hat.

Okabe erhält eine bedrohliche Nachricht in der er darauf hingewiesen wird, dass er von jemandem beobachtet wird. Suzuha erhebt schwere Vorwürfe gegen Kurisu und Daru macht eine beängstigende Entdeckung im Zusammenhang mit SERN.

Kurisu optimiert die D-Mail mit Hilfe des LHC von SERN. Okabe gerät nach den Drohungen, die er erhalten hat, jedoch ins Grübeln und ist unentschlossen ob die Experimente fortgeführt werden sollten.

Nach dem schrecklichen Zwischenfall auf der Party springt Okabe in der Zeit zurück um das Schlimmste zu verhindern. Verzweifelt versucht er alle Labormitglieder zum Gehen zu bewegen.

Nach unzähligen Zeitsprüngen will es Okabe einfach noch immer nicht gelingen die schrecklichen Ereignisse abzuwenden. Als er in Verzweiflung zu versinken droht, kommt Kurisu auf ihn zu und bietet ihm ihre Hilfe an.

Die Labormitglieder erfahren wie es SERN in der Zukunft gelingt eine Zeitmaschine zu bauen und mit ihrer Hilfe eine totalitär beherrschte Welt zu erschaffen. Suzuha erzählt den übrigen Labormitgliedern, dass sie auf der Suche nach ihrem Vater ist.

Auf der Suche nach Suzuhas Vater versucht Okabe den geheimnisvollen Kunden des Abzeichenhändlers zu beschatten und macht dabei eine überraschende Entdeckung.

Okabe gelingt es endlich die Divergenz der Weltlinie zu verändern, doch auch das verhindert nicht den tragischen Tod eines Labormitgliedes. Kurisu stellt die Theorie auf, dass das Problem eventuell bei früheren D-Mails liegt.

Okabe bittet Ruka die gesendete D-Mail rückgängig zu machen. Zuerst wird er zurückgewiesen, doch nach einem Date mit Okabe wird Rukas Veränderung aufgehoben.

Während Kurisu und Mayuri eine Convention besuchen, versucht Okabe Moekas D-Mail zu verändern. Nachdem er erneut in der Zeit zurück gesprungen ist, vertraut sich Moeka ihm an und gibt einen wertvollen Hinweis.

Kurisu ist gegen Okabes Pläne den IBN 5100 zu stehlen, da sie nicht an den Einfluss des Computers auf die Veränderung der Weltlinie glaubt. Stattdessen schlägt sie vor, sich auf die Suche nach der mysteriösen Person "FB" zu machen.

Geplagt von der Wahl zwischen dem Tod zweier Labormitglieder rutscht Okabe immer tiefer in die Verzweiflung. Letztendlich vertraut er sich ein weiteres Mal Kurisu an.

Nach einem intensiven Gespräch mit Kurisu trifft Okabe schweren Herzens eine Entscheidung, die letztendlich den Zyklus des Todes, in dem er gefangen ist, durchbrechen soll.

Nachdem Okabe von Suzuha erfahren hat, dass nur er den dritten Weltkrieg verhindern kann, kehrt er zurück zu den Ereignissen bei Professor Nakabachis Seminar.

Okabe muss einen letzten Zeitsprung durchführen und eine perfekte Illusion erschaffen um den Lauf der Geschichte ein für allemal in eine positive Bahn zu lenken. Wird es ihm gelingen alle Labormitglieder zu retten?