Một ngày hè oi bức năm 1983, Maebara Keiichi,cậu học sinh chuyển trường đến ngôi làng Hinamizawa hẻo lánh, đang tận hưởng những ngày tháng yên bình và tham gia vào câu lạc bộ chơi game cùng bốn cô bạn đáng yêu của mình.
Nằm ở Tsukishima, Chuo-ku, Tokyo, ngôi đền nổi tiếng "Đền Gaoji" có lịch sử hơn 400 năm. Vị thần mà nó thờ là một yêu tinh ngủ trong nhà được triệu tập đến Nhật Bản từ một thế giới khác vào thời Edo, nhưng giờ chỉ ở lại ngôi đền cả ngày, bị ám ảnh bởi các trò chơi, hoạt hình và nhân vật, đồng thời mắc chứng sợ xã hội.
Anime được thực hiện theo bản visual novel phát triển bởi 5bp và Nitroplus, Chaos;Head là một câu chuyện về một kẻ giết người(ảo giác) kì bí, mang những nhân tố mạnh như máu đông,xung đột tâm lý và giả tưởng. Game sử dụng một nét đặc trưng gọi là "delusional trigger", thứ cho phép người chơi điều chỉnh realness với surrealness thông qua perspective của nhân vật chính ,thứ tác động trực tiếp vào cốt truyện.
Tiền kiếp và hiện tại hòa lẫn vào nhau, chàng trai với hai kí ức của hai kiếp người đứng lên chống lại định mệnh. Thuở thơ ấu, Rio đã sớm trở thành trẻ mồ côi do mẹ bị giết, cậu phải kiến cường sống sót trong khu ổ chuột.
Trong một thế giới giả tưởng xa xôi, người anh hùng huyền thoại đảm nhận một vị thần xác chết gọi hồn. Tuy nhiên, vị thần gọi hồn đã sử dụng con át chủ bài trong tay áo của mình trong những giây phút cuối cùng của trận quyết đấu hoành tráng.