Okabe Rintarou, qui se présente lui-même comme un savant fou, vit dans une petite chambre à Akihabara, où il invente des « gadgets du futur » avec les autres membres de son laboratoire : Shiina Mayuri, son amie d’enfance un peu tête en l’air, et Hashida Itaru, un hacker otaku. Les trois amis passent leur temps à bricoler leur dernière création, un « Phone Microwave » pouvant être contrôlé par SMS.
Les membres du laboratoire sont bientôt confrontés à une série d'incidents mystérieux qui mènent à une découverte révolutionnaire : le « Phone Microwave » peut envoyer des e-mails vers le passé et ainsi modifier le cours de l'histoire. Adapté du roman visuel acclamé par la critique de 5pb. et Nitroplus, Steins;Gate plonge Okabe dans les profondeurs de la théorie scientifique et du désespoir humain alors qu'il fait face aux conséquences désastreuses de la modification du passé.