Di kota Fuuto, para penjahat menggunakan perangkat seperti USB yang disebut “Gaia Memories” untuk mengubah diri mereka menjadi monster berkekuatan super yang dikenal sebagai “Dopants”, membuat kekacauan di kota yang sebenarnya damai. Namun, ada juga pahlawan yang memanfaatkan Kenangan Gaia untuk melawan para penjahat ini, salah satunya adalah detektif tangguh Shoutarou Hidari yang memproklamirkan diri.
Dengan bantuan rekannya yang cerdas, Philip, keduanya berubah menjadi Kamen Rider W—pahlawan legendaris kota Fuuto. Setelah kejatuhan Museum—organisasi jahat yang bertanggung jawab atas banyak kejahatan di Fuuto—produksi dan distribusi Gaia Memories telah dihentikan.
Namun, sisa-sisa Gaia Memories masih tetap ada di masyarakat dan dijual di pasar gelap dengan harga tinggi. Dengan demikian, kedua pahlawan dari Badan Detektif Narumi belum sempat bersantai.
Pemandangan Dopan masih terjadi dan agensi semakin banyak menerima klien yang mengaku mengalami fenomena supranatural. Terlepas dari sifat tugas yang sulit, Kamen Rider W berjanji bahwa mereka yang menyakiti Fuuto pasti akan menghitung dosa mereka.
