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.

Nhân vật chính, Takumi là một chàng trai đam mê 2D-girl(những cô gái trong manga,anime và game) cuồng nhiệt tới mức coi thường các 3D-girl(những cô gái ngoài đời).Bị truy đuổi bởi hung thủ của chuỗi các vụ sát nhân đẫm máu, cậu liên tục bị lưu lạc ở nhiều nơi quanh Shibuya, Tokyo.Cuộc phiên lưu đã đẩy cậu vào các đề tài khoa học khác nhau , những thứ như là tư tưởng làm cơ sở(khái niệm) về vật chất,phản vật chất và biển Dirac.