Chaos;Head está ambientada en Shibuya, donde la serie de asesinatos atroces conocida como «New Generation Madness» ha convertido el distrito en un lugar de miedo, rumores y especulación constante. En el centro está Takumi Nishijou, un otaku de instituto que pasa la mayor parte del tiempo jugando en línea y viendo anime, evita el mundo real siempre que puede y cae en sus delirios con tanta facilidad que nunca puede estar seguro de si lo que ve es real.
La rutina de Takumi se desmorona cuando recibe de un usuario llamado Shogun una imagen espantosa: un hombre clavado a una pared. Después de intentar tranquilizarse en un cibercafé, presencia en persona la misma escena del crimen y, ante él, aparece una chica de pelo rosa cubierta de sangre, que lo llama por su nombre. A partir de ese momento, queda arrastrado a los asesinatos de New Gen y a una lucha por comprender qué es real, en quién puede confiar y si el asesino ha empezado a apuntar ahora contra él.
A medida que los incidentes en torno a Shibuya se intensifican, el frágil sentido de la realidad de Takumi se ve empujado cada vez más al límite, obligándolo a enfrentarse a la frontera entre la percepción, la paranoia y la violencia que se cierne a su alrededor.