Vài tháng sau sự kiện của Steins;Gate, Rintarou Okabe cùng nhóm bạn được mời sang Mỹ để tham dự giải đấu Rai-Net cùng với Faris NyanNyan. Tại đây, họ tình cờ gặp lại Kurisu Makise, người đang bắt đầu có những giấc mơ kỳ lạ — những ký ức mơ hồ về các sự kiện xảy ra ở những thế giới song song khác. Bối rối trước những hình ảnh thoáng qua trong tâm trí, Kurisu tìm gặp Okabe và chất vấn anh về việc liệu những chuyện giữa hai người trong những dòng thời gian đó có thật hay chỉ là ảo giác. Trong khoảnh khắc ngắn ngủi ấy, cả hai lại một lần nữa bị kéo vào vòng xoáy định mệnh giữa khoa học, ký ức và cảm xúc chưa từng phai.