Аниме "Врата Штейна" представляет собой научно-приключенческий сериал, основанный на одноименной манге. Действие происходит в современной Японии, где группа молодых исследователей создает устройство из модифицированной микроволновой печи. Данный аппарат способен отправлять текстовые сообщения в прошлое. В процессе доработки механизма для потенциальной транспортировки живых существ, разработчики привлекают внимание секретной организации SERN.

Организация SERN проводит собственные исследования в сфере временных путешествий и параллельных реальностей, устраняя независимых ученых и присваивая их наработки. Обладая информацией о создателях устройства и их местонахождении, SERN начинает операцию по захвату изобретения. Чтобы защитить себя и свою разработку, главным героям предстоит использовать машину времени для перемещений по временной линии, пытаясь избежать преследования.