Sougo là một học sinh trung học có ước mơ kỳ lạ: trở thành một vị vua vĩ đại. Một ngày nọ, cậu gặp Tsukuyomi và Geiz, hai người du hành thời gian đến từ năm 2068 — một tương lai đen tối nơi Oma Zi-O, phiên bản tương lai của Sougo, trở thành bạo chúa thống trị thế giới. Họ đến để ngăn cản cậu trở thành Oma Zi-O. Sougo sau đó nhận được một chiếc đồng hồ (Ridewatch) và biến thân thành Kamen Rider Zi-O, có khả năng du hành thời gian và sử dụng sức mạnh của các Rider thời Heisei trước đó.

Sougo cùng Geiz chiến đấu với các Another Rider, những phiên bản méo mó của các Rider trước đó, do tổ chức Time Jackers tạo ra để thay đổi lịch sử. Time Jackers muốn thay thế Oma Zi-O bằng một vị vua mới theo ý họ. Để đánh bại Another Riders, Zi-O và Geiz phải lấy được sức mạnh từ các Rider đời trước (từ Kuuga đến Build). Sougo dần gặp gỡ các Rider tiền nhiệm và nhận được sự công nhận cũng như sức mạnh của họ.

Dù ban đầu từ chối số phận trở thành Oma Zi-O, Sougo bắt đầu hiểu rằng để thay đổi tương lai, cậu phải trở thành vua — nhưng là một vị vua khác với Oma Zi-O. Về sau, Sougo đạt được sức mạnh tối thượng: Zi-O II, rồi cuối cùng là Grand Zi-O, với năng lực tổng hợp từ tất cả các Rider thời Heisei.

Sougo phải đối đầu với Swartz, trùm cuối của Time Jackers, kẻ muốn hợp nhất các thế giới và trở thành vị vua duy nhất. Cuộc chiến cuối cùng kết thúc khi Sougo chấp nhận trở thành Oma Zi-O, nhưng thay vì trở thành bạo chúa, cậu dùng quyền năng của mình để thiết lập lại toàn bộ vũ trụ, xóa bỏ tương lai đen tối. Trong thế giới mới, mọi người có một khởi đầu mới, không còn ký ức về những gì đã xảy ra, và Sougo quay trở lại là một học sinh bình thường.