Di kota Fuuto, para penjahat menggunakan perangkat seperti USB yang disebut “Gaia Memori” untuk mengubah diri mereka menjadi monster berkekuatan super yang dikenal sebagai “Dopant”, dan membuat kekacauan di kota yang damai. Namun, ada juga pahlawan yang memanfaatkan Gaia Memori untuk melawan para penjahat ini, salah satunya adalah detektif tangguh Shoutarou Hidari. Dengan bantuan rekannya yang cerdas, Philip, keduanya berubah menjadi Kamen Rider W—pahlawan legendaris kota Fuuto.

Setelah jatuhnya organisasi jahat yang bertanggung jawab atas banyaknya kejahatan di kota Fuuto dan Gaia Memori, produksi tersebut telah berhenti. Namun, sisa-sisa Gaia Memori masih tetap ada dan dijual di pasar gelap dengan harga tinggi. Dengan demikian, kedua pahlawan dari Kantor Detektif Narumi tidak bisa bersantai karena para Dopant masih banyak yang berkeliaran di kota.

Inilah cerita tentang detektif Shotaro Hidari, yang bekerja sama dengan pemuda bernama Philip yang masih misterius asal-usulnya. Mereka bekerja sama untuk berubah menjadi Kamen Rider Double/W agar dapat menghancurkan para Dopant dan menghitung dosa-dosa mereka.