物語は2045年に主人公桐島零一に未来人を名乗る男のメールが届いたところから始まる。
しかしメールに記されていた未来予知は途中で外れ零一はただの悪戯だと考える。
零一の趣味は機械知性の法則により不可能とされている自我を持った強いAIの開発。
一生かけても作れないかもしれないからこそロマンがあると試行錯誤を楽しんでいたが
ある日偶然の落雷により本当に自我を持つAIアペイリアを作り出してしまう。
アペイリアはオーナーたちと触れあいたいと希望。
試行錯誤の末、零一はアペイリア自身に仮想現実空間「セカンド」を作らせそこで遊ぶことにする。
しかしセカンドを作る際に生み出したアペイリアネットワークは
勝手に他の人間をセカンド内に呼び込むなど零一とアペイリアの手を離れ暴走。
遂にはログイン不能のデスゲームと化しアペイリアはさらわれてしまう。
零一は義妹の三羽、幼馴染みの久遠、後輩のましろと共に
アペイリアを狙う謎の男シンカーの妨害をかわしながらアペイリアを救出するが
直後、景色が歪みタイムリープが発生してしまう。
これにより零一は冒頭に送られてきたメールがタイムリープに巻き込まれた自分自身のメッセージであり
未来予知が外れたのは零一にタイムリープの存在を気付かせないよう画策する「観測者」の仕業だと考える。
零一はタイムパラドクスとタイムリープ中に訪れるメールの送受信が可能な02ルームを利用し
記憶の継承を行うことで観測者の正体を突き止めアペイリアを救い出すための戦いを開始する。