左利翔太郎は成海探偵事務所のハードな私立探偵で、好奇心旺盛なパートナー・フィリップとともに富岡市の平和を守るため働いている。ある晩、翔太郎はトキメという謎めいた女性に出会い、彼女が複数の殺人・窃盗事件と結びついていることを知る。調査の結果、彼らはガイア・メモリ―（サムドライブに似たデータチップ）を使って強力なドーパント生物へと変身する人物たちに焦点を当てる。以前の戦闘でほとんどのガイアユーザーは探偵チームにより排除されたが、まだ一部は残り公共の安全を脅かしている。今、翔太郎とフィリップは正義のガイアユーザーとして仮面ライダーWとなり、危険なドーパントの脅威を根絶するため戦わねばならない。彼らは同時にトキメの真実の身元を明らかにし、忘れ去られた長い隠された過去と対峙する。彼らの粘り強い追跡は、トキメがかつてガイアのオペレーティブであり、自らの組織に裏切られたことを明かし、今は富岡市の脆弱な均衡を守るために野生化したドーパントを解体し、贖罪を求めていることを示す。
