Vài tháng sau các sự kiện của Steins;Gate, Rintarou Okabe cùng nhóm bạn được người quen Faris NyanNyan mời đi cùng đến Hoa Kỳ, nơi cô tham gia một giải đấu Rai-Net. Tại đây, họ gặp lại một người đồng nghiệp cũ: Kurisu Makise, người gần đây liên tục nhớ lại những ký ức rời rạc về các sự kiện đã xảy ra ở những dòng thời gian khác dưới dạng những giấc mơ. Kurisu đối mặt với Okabe và hỏi liệu những sự kiện ấy—đặc biệt là những chuyện đã xảy ra giữa hai người—có thực sự từng diễn ra hay không.