Yukiteru Amano (天野雪輝) is een 14-jarige, verlegen en dagdromende eenling die het leven observeert en de gebeurtenissen noteert op zijn mobiele telefoon. Zijn enige vrienden zijn Deus Ex Machina (デウス・エクス・キナ), de God van Ruimte en Tijd, en zijn assistent Muru Muru (ムルムル). Deus transformeert Yukiteru’s telefoon in een toekomstagenda, die de toekomst tot negentig dagen vooruit kan voorspellen. Yukiteru ontdekt dat hij en elf anderen deel uitmaken van een overlevingsspel dat is opgezet door Deus. Het doel van dit spel is de andere dagboekhouders uit te schakelen, waarbij de winnaar Deus opvolgt als god en de Apocalyps voorkomt. Yukiteru wordt beschermd door Yuno Gasai (我妻由乃), een charmante maar psychopathische klasgenoot die hem obsessief stalkt nadat ze een jaar eerder hadden beloofd samen naar de sterren te gaan kijken.
Twee belangrijke spelers die ze tegenkomen zijn de terroriste Minene Uryu, die alle religie wil vernietigen nadat haar ouders zijn omgekomen in een door geloof gevoede oorlog; en Keigo Kurusu, een politieagent die een einde wil maken aan het spel. Later verraadt Kurusu Yukiteru en Yuno wanneer hij ontdekt dat zijn bedlegerige zoon aan een terminale ziekte lijdt. Hij vermoordt dagboekhouder Karyuudo Tsukishima en laat Yukiteru en Yuno in de val lopen. Minene wendt zich tot detective Masumi Nishijima en ontmaskert Kurusu’s misdaad. In zijn schaamte elimineert Kurusu zichzelf uit het spel.
John Bacchus, de burgemeester van de stad en ontwerper van de Future Diaries, probeert Yukiteru’s vader Kurou, die diep in de schulden zit, te manipuleren om het dagboek van zijn zoon te stelen. Kurou faalt, vermoordt onbedoeld zijn ex-vrouw Rea en wordt vervolgens vermoord door de mannen van Bacchus. Yukiteru zweert het spel te winnen en zijn ouders te doen herrijzen. Hij en Yuno richten zich op de overgebleven dagboekhouders, Minene, Bacchus, en Kamado Ueshita die een weeshuis runt. Ondertussen onderzoeken Yukiteru’s scherpzinnige vriend Aru Akise, en Nishijima de ontdekking van drie lijken in Yuno’s huis, twee zijn haar ouders, en de derde geïdentificeerd als zijnde Yuno Gasai, waardoor haar identiteit in twijfel wordt getrokken.
Kamado’s dagboek, dat anderen vervangende dagboeken kan geven, is verbonden met een supercomputer, waardoor iedereen in de stad Future Diaries krijgt als onderdeel van Bacchus’ plan om de mensheid te helpen evolueren. Yukiteru en Yuno, Minene, Nishijima, en Yukiteru’s vrienden bestormen Bacchus’ hoofdkwartier. Hij sluit zichzelf op in een bankkluis die eigendom is van Yuno’s ouders, haar vingerafdrukken zijn de enige manier om er toegang toe te krijgen. Minene offert zich op om de kluis te vernietigen, maar dat mislukt. Aru is er getuige van dat Yuno de kluis opent en Bacchus doodt. Aru wil antwoorden en confronteert Deus, die onthult dat de jongen een kunstmatige mens is die het spel moet observeren en in balans houden, maar bevestigt dat er een samenzwering is rond Yuno.
Yukiteru vermoordt zijn vrienden en daarna Kamado. Aru gaat de strijd aan met Yuno, vernietigt haar dagboek maar ontdekt dat ze een reserve heeft. Aru realiseert zich de waarheid en laat Yukiteru een tekst zien voordat Yuno hem onthoofdt. Terwijl de dagen tot de Apocalyps naderen, consumeren Yukiteru en Yuno hun relatie. Yukiteru onthult echter Aru’s suggestie dat Yuno afkomstig is uit een andere tijdlijn en ze keert zich onmiddellijk tegen hem. Muru Muru, het ware meesterbrein achter het verloop van het spel, bevestigt Aru’s theorie. Yukiteru stierf en Yuno won het spel in een andere tijdlijn, maar ontdekte dat zelfs de kracht van een god de doden niet kon terugbrengen. In haar verdriet ging Yuno terug in de tijd, creëerde een alternatieve tijdlijn, vermoordde en verving haar andere ik.
Yuno en Muru Muru gaan weer terug in de tijd, creëren een derde wereld, achtervolgd door Yukiteru en Minene, in leven gehouden door Deus als een wild card en doordrenkt met een deel van zijn kracht. Beide partijen strijden om Yuno en haar ouders in de derde wereld te beschermen of te doden. Yuno, niet in staat om Yukiteru te doden, laat hem in een droomwereld vallen waar ze niet bestaat, en valt dan haar alternatieve zelf aan. Yukiteru herinnert zich Yuno, ontsnapt uit zijn gevangenis met de hulp van Muru Muru van de tweede wereld, en stopt Yuno. Hoewel Yukiteru Yuno vraagt hem te doden zodat zij kan leven, elimineert zij in plaats daarvan zichzelf en sterft in zijn armen. Yukiteru wordt god en wordt door Muru Muru naar de tweede wereld gesleept.
Tienduizend jaar later heeft een treurende Yukiteru niets met zijn goddelijke krachten gedaan. Hij is erin geslaagd alle invloeden die de eerste en tweede wereld hadden met de derde af te snijden en voorkomt dat de deus van de derde wereld sterft. Yukiteru staart naar zijn dagboek, treurend dat hij de eerste wereld Yuno, de enige van wie hij ooit zal houden, nooit meer zal zien. De interdimensionale muren worden echter neergehaald door Yuno van de derde wereld, die de herinneringen van de eerste wereld bezit dankzij een verzoenende Muru Muru. Yukiteru en Yuno herenigen zich als goden van de tweede wereld en eeuwige geliefden.