Câu chuyện bắt đầu khi Imagin xấu đang muốn làm giao kèo với con người nhằm phá hủy quá khứ và thâu tóm loài người. Nogami Ryōtarō - 1 chàng trai kém may mắn gặp Momotaros - đại ca nhóm Imagin phản bội làm giao kèo với anh và phát hiện ra chiếc tàu có khả năng xuyên qua thời gian là DenLiner, với Hana, Owner và Naomi. Ryōtarō là một điểm kỳ dị của thời gian, nên Hana chọn anh làm Kamen Rider Den-o để chống lại các Imagin. Tuy nhiên do tính nhát gan nên anh không thể chiến đấu, và phải nhờ Momotaros nhập vào mình. Ryōtarō du hành thời gian cùng DenLiner, gặp các Imagin khác là Urataros, Kintaros và Ryutaros với mỗi tính cách khác nhau, cùng với Sakurai Yūto - Kamen Rider Zeronos và Imagin đi cùng Deneb, họ cùng nhau bảo vệ dòng thời gian khỏi các Imagin xấu.