Rintarô Okabe est un scientifique un peu paranoïaque, toujours accompagné de Mayuri et Itaru, qui l'aident dans ses expériences farfelues pour son laboratoire. Alors qu'il participait à un séminaire sur le voyage dans le temps, Rintarô rencontre Kurisu, qui tente de le persuader qu'il lui a parlé quinze minutes avant, mais Rintarô n'en a aucun souvenir et ne se rappelle pas avoir vu la jeune fille. Peu de temps après, il retrouve le corps sans vie de Kurisu. Tentant alors de prévenir Itaru par texto, il est plongé dans une ville fantôme. En reprenant ses esprits, il retrouve Mayuri et ne comprend pas ce qui s'est passé, d'autant plus qu'entretemps un satellite s'est écrasé sur l'immeuble dans lequel il se trouvait. L'incompréhension sera encore plus importante pour Rintarô quand il apprendra que le texto qu'il avait envoyé à Itaru date d'une semaine, et que Kurisu est encore vivante. -Blaster- source : Animeka

Le film propose une suite à la série et se déroule un an après les événements survenus dans celle-ci. Nous y retrouvons nos deux protagonistes inventeurs du D-mail qui vont devoir se confronter une nouvelle fois au SERN et ce, en utilisant leur fameuse invention pour modifier les événements du passé et du futur.