Shoutarou Hidari, twardy prywatny detektyw z Agencji Detektywistycznej Narumi, żyje, aby chronić spokój w mieście Fuuto wraz z swoim ciekawym partnerem, Philipem. Pewnej pięknej nocy Shoutarou spotyka tajemniczą kobietę o imieniu Tokime, która wkrótce zostaje powiązana z kilkoma sprawami morderstw i kradzieży. Śledztwo Shoutarou prowadzi go do ludzi używających "Gaia Memories" – jednostek pamięci podobnych do pendrive'ów, zawierających ogromne ilości danych – aby przekształcić się w potężne bestie zwane "Dopantami". Podczas gdy większość użytkowników Gaia została wcześniej zlikwidowana przez zespół detektywów, wiele z nich wciąż istnieje, stanowiąc duże zagrożenie dla bezpieczeństwa publicznego. Jeszcze raz Shoutarou i Philip, użytkownicy Gaia po stronie sprawiedliwości, muszą walczyć jako Kamen Rider W – słynny bohater strzegący Fuuto – aby wyeliminować gniazdo złoczyńców Dopantów, jednocześnie odkrywając prawdziwą tożsamość Tokime i konfrontując się z dawno zapomnianą przeszłością.