Сюжет фильма разворачивается спустя год после событий сериала. Ринтаро Окабэ преследуют болезненные воспоминания. Зациклившись на созданных им временных линиях, постоянно думая о том, где он совершил ошибку и что сделал неправильно, юноша все больше и больше теряет связь с реальностью. В итоге все эти воспоминания становятся причиной стирания его личности из пространственно-временного континуума. Тем временем Курису Макисэ возвращается в Японию после годового отсутствия. О том, что ее любимый человек действительно существовал, ей подсказывает постоянно возникающее чувство дежавю. Этот феномен не дает ей покоя, и она изо всех сил пытается найти способ, чтобы вернуть Окабэ. Сможет ли она достичь своей цели, и не приведет ли все это к еще более запутанному парадоксу, мы узнаем в полнометражной версии Steins; Gate.