C'est l'histoire d'un jeune homme, Nogami Ryotaro, vivant avec sa sœur, Airi Nogami, qui veille sur lui. Il est maladroit et malchanceux, mais un jour après une bagarre contre un groupe de jeunes voyous, il découvre un étrange Pass qui lui permet d'ouvrir une porte vers une dimension pleine de sable (appelée "Les flos du temps") où passe un train, le "Den-Liner". Il se fera posséder par des entités appelée "Imagin" (créatures qui viennent du futur), principalement Momotaros. Il rencontrera après cela une jeune femme du nom de Hana, à qui appartient le "Den-Pass". Celle-ci remarquera une compatibilité entre Ryotaro et Momotaros, ce qui donnera naissance à Kamen Rider Den-O. Par la suite, ils seront rejoints par d'autres Imajins (Urataros, Kintaros, Ryutaros et exceptionnellement Sieg) qui donneront à Kamen Rider Den-O de nouveaux pouvoirs. Il aura aussi comme allié un certain Sakurai Yuto, connu sous le nom de Kamen Rider Zeronos (il est le fiancé de la sœur de Ryotaro, "Sakurai-san" du passé), accompagné de son Imagin, Deneb, pour combattre les autres Imagins.