Сюжет аниме «Врата Штейна: Дежа вю» основан на японском компьютерной игре «Врата Штайна» и рассказывает о путешествиях во времени. Действия аниме разворачиваются в августе 2011 года в Японии. Прошел год после того, как во время проведения конференции по вопросам временных перемещений, студент токийского университета Ринтаро Окабэ начал использовать текстовые сообщения в прошлое, способные менять ход событий настоящего. Это привело к переплетению параллельных мировых линий, а так же к череде побочных эффектов.
Из-за частых путешествий во времени Ринтаро начал видеть галлюцинации, которые тревожили его близких. Воспоминания из других мировых линий стали слишком реальны и окончательно запутали парня. Вскоре он бесследно исчез. На поиски Окабэ отправляется его коллега и девушка Курису Макисэ, которая всеми силами старается отыскать любимого Ринтаро, пока о нем окончательно не забыли.