Ryotaro Nogami es un joven con mucha mala suerte. Un día, encuentra un Ticket extraño y las cosas se ponen raras cuando aparecen una misteriosa chica y un Gran Tren que puede viajar en el tiempo (Den-Liner), hasta ser poseído por entidades llamadas Imagin, seres de un futuro alternativo cuyo objetivo es tratar de cambiar el pasado. Aunque desconoce un poco la naturaleza de la crisis, Ryotaro, junto con la ayuda del impetuoso y violento Imagin, apodado Momotaros, se convierte en Kamen Rider Den-O, viajando a diferentes momentos en el Den-Liner para luchar contra los malvados Imagin para evitar que alteren el pasado, para que no se vea afectado el presente y el futuro. Durante su aventura, A Ryotaro se le unen otros Imagin que le ayudan: el mentiroso, manipulador y mujeriego Urataros, el fuerte y dormilón Kintaros , y el infantil e inquieto Ryutaros. Más tarde se encuentra con el misterioso Yūto Sakurai y su torpe Imagin Deneb, que es su compañero. Yūto no es sólo Kamen Rider Zeronos, si no también es la encarnación más joven del novio de la hermana mayor de Ryotaro, Airi Sakurai, quien desapareció misteriosamente