中鉢博士の講演が行われたラジ館で、何者かによって刺殺された牧瀬紅莉栖。しかし、ATFで行われたセミナーに参加した岡部が目にしたのは、何事もなかったように講義する紅莉栖の姿であった。殺されたはずの紅莉栖が生きている──理解を超えた出来事に混乱する岡部であったが、変異はそれだけではなかった。 2000年ごろにインターネット上を騒がしたジョン・タイターという自称未来人。10年の時を経て、巨大掲示板“@ちゃんねる”に彼を名乗る人物が再び現れたが、岡部以外は誰ひとりとして彼の存在を覚えてはいなかった。岡部はフェイリスのいるメイド喫茶に向かう途中、希少なレトロPC“IBN5100”を探している桐生萌郁と出会う。ラボに戻った岡部は電話レンジ（仮）の再実験を行うが──レンジの中に入れたはずのバナナはゲルバナと化し、テーブル上の房へと戻っていた。予期せぬ実験結果に驚く岡部とダル。そして、そこに姿を現したのは牧瀬紅莉栖その人であった。

SERNへのハッキングに成功した岡部は、未来ガジェット研究所にラボメンを集め、円卓会議を開催する。そこで、自分たちが偶然発見した“過去へ送れるメール”を「Dメール」と命名する。特定の時間帯にメールを送信することで「電話レンジ（仮）」が放電現象を起こし、Dメールが送られると仮定した岡部は、検証すべく実験を再開。結果、「電話レンジ（仮）」の中に入れたバナナはゲルバナとなり、紅莉栖が送った岡部宛のメールは5日前の日付で届いた。世紀の大発見に浮かれる岡部であったが、危険な人体実験をもいとわないSERNの秘密を知り、さらには無関係のまゆりを巻き込んだことに一抹の不安を覚える。翌日、IBN5100を見学しようとラボに訪れた萌郁に、偶然にもDメールの存在を知られてしまった岡部は、秘密の保持のために、急遽彼女をラボメンナンバー005に認定することになる。

岡部はセカンドエディションバージョン1.03に改造した「電話レンジ（仮）」を使い、Dメールで過去を改変する実験を思いつく。紅莉栖はタイムパラドックスを危惧するが、討議の結果、ロト6の3等当選番号を記したメールを、１週間前の岡部自身に送ることに。そして、メールを送信した瞬間、岡部は世界が歪むような奇妙な感覚に襲われる。周囲との微妙な齟齬にとまどう岡部の元に、１週間前に岡部から当選番号を教えられたというるかが現れ、ロト6を購入したものの番号を間違えはずれてしまったという。そして、先程までなかったはずのドクトルペッパーがなぜかラボの机の上にあった。そう──驚くべきことに、D メールを送った瞬間、過去が書き換わり、世界は改変されたのだ。その場に居合わせたにも関わらず、ラボメンたちは誰も実験のことを覚えておらず、改変前の記憶を持つ者は岡部ひとりであった。この不可思議な現象をジョン・タイターに訪ねた岡部は、自分が世界線を移動しても記憶を保持できる希有な存在ではないかと指摘される。さらに、タイターは岡部にこういうのだった。「ダイバージェンス1％の向こう側に世界を導き、世界の救世主になってほしい」と。

ジョン・タイターから「救世主になってほしい」とのメールを受け取った岡部は、ダルと紅莉栖に、過去を司る女神作戦（オペレーション・ウルド）の再開を告げる。そして、岡部は自分だけに世界線変動前の記憶を保持する特殊な能力「リーディング・シュタイナー」があることを示唆する。その能力を立証するために、Dメールの実験を重ねる岡部たちは、4日前の萌郁に“ケータイの機種変更をするな”というDメールを送る。その結果、世界線は変動し、萌郁の行動が変わり、彼女がラボに来なかったという過去に改変されてしまった。そして、Dメールの話を立ち聞きしたるかから“女の子になりたい”と打ち明けられる。岡部らは、るかの母親のポケベルに、「野菜をたくさん食べると女の子が生まれる」という俗説に従って、野菜を食べることを勧めるメッセージをDメールで送った。その直後──岡部を再び奇妙な感覚が襲う。リーディング・シュタイナーが発動したが、るかの外見には一見なんの変化も観られなかった。確かに世界線は変動したはずなのだが…

フェイリスに「過去にメールを送る」話を聞かれてしまった岡部とダル。その後、岡部は円卓会議にて「電話レンジ（仮）」を使った物理的タイムトラベルの可能性に言及するが、紅莉栖に否定される。その後、SERNへのハッキング状況をダルに確認した岡部は、ラボからIBN5100がなくなっていることに気付く。これまでに送ったDメールによって過去が少しずつ改変され、IBN5100を手に入れていないという歴史が紡がれてしまったのだ。岡部は再び IBN5100を入手しようとするが、奉納されていたはずの柳林神社にそのレトロPCはもうなかった。IBN5100の持ち主を知るフェイリスに話を聞こうと、彼女の自宅に向かった岡部たち。フェイリスはその情報と引き替えに、10年前に1通のDメールを送らせてほしいと交換条件を出してきた。やむを得ず承諾した岡部がDメールを送らせると、リーディング・シュタイナーが発動。目の前には、さっきまでいなかったはずのフェイリスの父がいた。そして、フェイリスの家を出た岡部たちを待っていた光景は──萌え系の店がまったく見あたらない電気街・秋葉原の姿であった。

岡部はDメール実験をするために、鈴羽に天王寺の目を引きつけてほしいと頼む。彼の目論みは失敗に終わるが、ブラウン管工房にある42型ブラウン管こそが「電話レンジ（仮）」によるDメール送信の鍵であると判明した。電話レンジ(仮)の仕組みを解明できた紅莉栖はDメールに代わり、人間の脳にある記憶データを圧縮して過去の自分に送る方法、いわゆるタイムリープ実験を考案する。すぐさま「電話レンジ（仮）」をタイムリープマシンに改造するためのパーツを集めてきた岡部だったが、なぜか紅莉栖はためらいを見せる。紅莉栖によると物理学者である彼女の父親との間に確執があり、タイムリープマシンを完成させた場合、関係を修復できないかも知れない、という。岡部はそんな紅莉栖に、タイムリープマシンが完成したらいっしょに父親に会いに行こうと約束するのだった。しばらく泊まり込むという紅莉栖とまゆりをラボに残し、買い物に出かけた岡部のケータイに一通のメールが届く。メールを開くと「おまえは知りすぎた」というメッセージと、血まみれの人形の首が写し出された。まゆりの身を案じてラボへ急行した岡部だったが、彼の心配はひとまず杞憂に終わる。しかし、ダルによるとラボとSERNのネットワークがいつの間にかつながっており、何者かにアクセスされた形跡があることがわかった。岡部は身辺に近付く恐怖に動揺を隠せなかった。

7000万年前の荒野に時間跳躍する夢を見た岡部。白昼夢のような奇妙な感覚から目を覚ますと、まゆりが泊まり込みで制作していたコスプレ衣装、そして紅莉栖のタイムリープマシンが完成を迎えていた。ついに“時空を超える装置”を手に入れた岡部たち。しかし、岡部はタイムリープマシンの実験を中止。事実を世間に公表し、研究機関に装置を託すことを決める。ラボメンたちも岡部の決断に賛同し、それぞれの労をねぎらうためにパーティーが開かれる。犬猿の仲である紅莉栖と鈴羽も顔を合わせるが、まゆりの気遣いで和やかなものに。だが、穏やかな空気がにわかに破られる。テレビには緊急ニュースが映し出されていた。爆弾テロの予告によって秋葉原駅を通るJR各線が運転を見合わせるというニュースに、岡部は悪い予感を覚え、鈴羽はなにかを言いかけてひとり飛び出してしまう。そして、彼女と入れ替わるように、5人の武装した男たちがラボに押し入ってきた。彼らに続いて岡部らの前に現れたのは、黒いライダースーツに身を包んだ桐生萌郁であった。彼女の目的は完成したばかりのタイムリープマシンと開発者たちの身柄の確保。そして、「椎名まゆりは、必要ない…」と言うと、彼女の眉間に銃口を向けて引き金を引いたのだった。

ラボを強襲してきた萌郁の凶弾に倒れたまゆり。最悪の事態を前にして身動きが取れない岡部たちだったが、そこに姿を消したはずの鈴羽が現れる。素早い動きで襲撃者たちを次々と倒した彼女は、「42」「ブラウン管」「点灯済み」とつぶやく。それを聞いた紅莉栖は完成したばかりのタイムリープマシンを起動させ、岡部は過去へ時間を巻き戻すべく叫んだ――「跳べよぉぉぉぉっ！」。ふと我に返ると、岡部は惨劇から数時間前にタイムリープしていた。ラボメンたちにパーティーの中止を告げる。岡部の唐突な行動に戸惑う紅莉栖たち。岡部はまゆりを探し出し、一緒に逃げ回るが、萌郁の乗っていた自動車にまゆりは轢かれてしまう。再びタイムリープした岡部は秋葉原駅を避け、まゆりを連れて地下鉄へ向かった。だが、駅構内に電車が乗り入れてきた瞬間、まゆりは天王寺の娘、綯に突き飛ばされる。まゆりの死は避けようのない結果なのか……。それでも、岡部はまゆりを助けることを決意する。

まゆりの命を救うため、タイムリープを繰り返す岡部。だが、どれだけ試みようと、「まゆりの死」という結果は変わらなかった。岡部は萌郁たちの襲撃自体を回避することができないか、と考え、タイムマシンの新情報を入手した、というメールを餌に萌郁を呼び出す。萌郁と再会した岡部はすぐさま彼女の銃を奪い、萌郁がIBN5100を探すラウンダーであることと、彼女たちがラボを襲撃した理由を聞き出すが、彼女の仲間によって岡部は捕らえられる。かろうじて逃走に成功して、ラボへ戻るが、またもまゆりは萌郁の手によって殺されてしまった。タイムリープを行うものの、運命のように同じ結果に収束していくことに絶望する岡部。彼の状況を察した紅莉栖に岡部はすべてを話し、彼女の協力を得ることにする。残された時間が少ないため、5時間前にタイムリープした岡部。まゆりを救う作戦を練り始めた岡部と紅莉栖の前に突然、鈴羽が姿を見せる。すべてを知っているかのように鈴羽は語った――まゆりを救うにはこの世界線がどこにあるかを示す数値“ダイバージェンス”が1％を超えたβ世界線に到達する必要がある、と。彼女に連れられてラジ館の屋上へ赴いた岡部と紅莉栖。落着した人工衛星のかたわらに立って、鈴羽は衝撃の事実をふたりに告げる。「あたしは2036年から来たタイムトラベラー、ジョン・タイターだよ」と。

Dメールを取り消していくことで1日ずつ時間がずれていくものの、まゆりが死ぬ結果に変わりなかった。まゆりはおそらく8月16日、コミマの日に死ぬ――そう、紅莉栖に告げた岡部は、まゆりを彼女に任せてDメールの送り主のひとり、桐生萌郁を捜しに向かった。萌郁がアルバイトしていた編集プロダクションから彼女が住むアパートを聞き出した岡部だったが、萌郁は8月15日にすでに自殺していた。紅莉栖からまゆりの死を知らされた岡部は、8月11日にタイムリープして萌郁の部屋を再度訪ねる。部屋にいた萌郁は、崇拝する「FB」からの連絡が途絶えたために心神喪失の状態だった。岡部は萌郁から強引に携帯電話を奪い取ると、ケータイの機種変更をやめさせるために送ったという萌郁のDメールを取り消した。しかし、「電話レンジ（仮）」の放電現象が起きたにも関わらず、世界線は変動しなかった。岡部は萌郁が機種変をしていなかった事を思い出す。萌郁のDメールはまったくウソの内容だったのだ。Dメールの本当の内容を知るために暴れる萌郁を組み伏せた岡部は、彼女の置かれた立場と悲劇的な結末を伝えた。岡部は携帯電話に残されたメールから、IBN5100を盗み出した張本人が萌郁と知り、彼女が自分自身にIBN5100の在処を伝えたDメールを取り消そうと試みる。しかし、それでもリーディング・シュタイナーは発動しなかった。頑なな萌郁を従わせるためには「FB」の携帯電話からメールするしかないと考えた岡部は、「FB」を捜し出すことを決意する。岡部が部屋を出ようとしたそのとき、萌郁はふとつぶやいた。「コインロッカー……大ビル前……IBN5100」と。

萌郁からIBN5100の隠し場所を聞き出した岡部。しかし、紅莉栖によると、岡部がこの世界線でIBN5100を手に入れることは不可能であり、まずはラウンダーの指揮官である「FB」なる人物に接触すべきだと言う。岡部はIBN5100が隠されたコインロッカーを見張り、そこに現れた萌郁とともに運び屋が持ち出したIBN5100の後を追った。そして、追跡の途中で岡部はよく知る人物の姿を目撃する。それは「Mr.ブラウン」こと天王寺裕吾であった。IBN5100が彼の自宅を経由してSERNのあるフランス行きの飛行機に積み込まれた事実を見届けた岡部は、真相を知るために天王寺の自宅を訪ねる。岡部たちに「FB」の正体を問いただされた天王寺はこう言った――「裏切ったようだな、M4」と。「M4」とは「FB」が萌郁につけたコードネームで、ふたりだけが知る呼び名である。萌郁に送られてきたメールの文面は女性の口調であったが、天王寺こそが「FB」だったのだ。岡部たちを連れて外へ移動した天王寺は、自らがラウンダーとして働くことになった経緯を語り、取り出した拳銃で萌郁を撃つ。そして、自らのこめかみに銃口を当て、引き金を引いた。岡部が天王寺の携帯電話からDメールを送ると、リーディング・シュタイナーが発動。ようやくラボにIBN5100が存在する世界線に移動することができた。これでSERNのデータベースに記録された最初のDメールを削除すれば、まゆりが死なず、ディストピアのない未来が待つβ世界線に戻れる。だが、そのとき岡部は最初に送ったDメールの内容を思い出した。1通目のDメール、それは岡部が紅莉栖の死体を目撃したことをダルに伝えるものだった。β世界線に戻れば、牧瀬紅莉栖が死ぬ。

「未来を司る女神作戦（オペレーション・スクルド）」の概要を理解した岡部は、ラボへ戻って未来ガジェット「サイリウム・セーバー」を用意する。この内部には血糊が仕掛けられており、紅莉栖の血に見せようと考えたのだ。タイムマシンにはあと1往復ぶんの燃料しかなく、今回のタイムトラベルが最後のチャンスになる。7月28日に跳躍した岡部は、カプセルトイが並ぶラジ館7階へ急ぎ、カプセルマシンを回した。転がり出てきたのは、まゆりが手に入れるはずだったメタルうーぱ。それを拾い上げた岡部は、紅莉栖と中鉢が出会う事件現場で身を潜めた。しかし、そこで「サイリウム・セーバー」の血糊が固まっていることに気がつく。窮地に追い込まれたものの、辛うじて血糊の代わりになるものに思い至った岡部は、驚くべき行動に出る。岡部は紅莉栖にナイフを向ける中鉢を挑発し、凶刃をその身に受けたのだった。死にものぐるいの岡部の姿に恐れをなした中鉢は、論文の入った封筒を奪って逃走する。岡部は駆け寄ってきた紅莉栖をスタンガンで気絶させると、ナイフを腹部に深くまで刺し入れた。そして、流れ出た血の上に紅莉栖を横たえさせ、自分が「観測した」紅莉栖の姿を再現したのだった。未知の世界線「シュタインズゲート」に到達した岡部は、傷が回復した後、るか、フェイリス、萌郁、まゆり、ダルにラボメンの証しであるピンバッジを渡す。ピンバッジには、この世界のどこかで生きている紅莉栖と、7年後に生まれてくる鈴羽のイニシャルも刻まれていた。ピンバッジを配り終えた岡部は、中央通りの横断歩道で紅莉栖と再会する。彼女は命の恩人にお礼を言うために秋葉原で岡部を探し続けていたのだ。紅莉栖にラボメンNo.004のピンバッジを手渡した岡部はこう言った――「これが、シュタインズゲートの選択だよ」。