Ryotarō Nogami est un jeune homme malchanceux. Un jour, il découvre un étrange passe ainsi qu'une jeune fille mystérieuse et étrange. Il découvre également le Den-Liner qui est en fait un train qui voyage entre le passé et le présent et apprend l'existence des Imagins, créatures qui viennent du futur pour changer le passé. Bien qu'il ne comprenne pas tout, Ryotarō, avec l'aide de l'impétueux Imagin, baptisé Momotaros devient Kamen Rider Den-O. Voyageant à différents moments grâce au Den-Liner pour combattre les Imagins et les empêcher de modifier le passé pour influer sur le présent et l'avenir.