La película tiene lugar un año después de los eventos de la serie de anime. Después de pasar por un penoso viaje a través de múltiples mundos paralelos debido a la invención de D-Mail, mensajes de texto que pueden ser enviados al pasado, Okabe Rintarou aparentemente ha aterrizado en la linea mundial Steins Gate, en el que ninguno de sus amigos tendría que morir y un futuro gobernado por SERN debido a la invención de una máquina del tiempo ya no existe. Sin embargo, Rintarou pronto comienza a sentir los efectos secundarios de su tiempo constante viajando a través de múltiples líneas del mundo, que pronto se acumula y hace que de repente desaparezca de la existencia, con sólo Makise Kurisu, la chica que había salvado gracias a sus esfuerzos, A través de déjà vu. Ahora es hasta Kurisu para encontrar una manera de que Rintarou regrese.