E' l'anno 2030. Gli affari sono come al solito nella città di ricerca isolata di Rokumei - cioè fino a quando avverranno diverse esplosioni improvvisamente nella struttura di ricerca nucleare conosciuta come "LABO". La città manda in "Sirius" una squadra di salvataggio d'élite, per affrontare la situazione. Ma la situazione peggiora quando il reattore nucleare di LABO si scioglie, portando al blocco della struttura - con membri di Sirius e sopravvissuti ancora intrappolati all'interno. Con la radiazione letale dappertutto e non abbastanza farmaci anti-radiazioni per durare fino al blocco, i sopravvissuti fanno sempre più cupe scoperte. Nella loro lotta per la sopravvivenza, in una trappola mortale piena di fuoco e radiazioni, apprendono che il dubbio è il loro più grande nemico e si fidano della loro più grande risorsa.

La storia di Root Double comprende due diversi protagonisti: Watase Kasasagi, un capitano della squadra di salvataggio che ha perso i suoi ricordi nelle ore successive all'incidente, e Natsuhiko Tenkawa, uno studente che mette insieme gli indizi nei sei giorni precedenti. L'unica chiave per sopravvivere è nelle mani del giocatore con il Senses Sympathy System (SSS). A differenza dei romanzi visivi tradizionali, Root Double non ha "scelte" ben definite, ma piuttosto il gioco utilizza l'SSS per consentire al giocatore di manipolare la storia basandosi esclusivamente sulle emozioni. Le tue emozioni proiettate sui personaggi, in particolare la tua fiducia in loro, modellano la progressione della storia. Solo con l'uso efficace di questo sistema e il completamento delle storie di entrambi i protagonisti, il giocatore può mettere insieme la verità e sperare di svelare la via d'uscita dalla struttura.