Chaos;Head primeiramente se passa em Shibuya, Tóquio. Muitos dos locais físicos de Shibuya estão cheios de pedestres e muitos edifícios aparecem no jogo com seus nomes alterados. Alguns sites de internet notáveis como Wikipedia, 2channel, YouTube, e Yahoo! aparecem no jogo com nomes modificados como We-Key Pedophilia, @-channel, MewTube, e Taboo!.
Como o título diz, temas psicológicos são relatados uma a uma e comparando sobre conflitos físicos e mentais em Chaos;Head. Desilusões e o método de projetar sua própria ilusão dentro do mundo físico ou em algum sistema virtual, é a chave mestra por trás da história. Outros temas científicos como os conceitos de matéria, antimatéria, e o Oceano de Diractambém são trazidos a tona.
Personagens Takumi Nishijō (西條 拓巳, Nishijō Takumi?) é o personagem principal da série. Ele é uma pessoa muito solitária e somente frequenta a escola algumas vezes pela semana só para completar o ano. Ele percebe que não é muito interessado em meninas nas três dimensões do mundo e evita conversar com as pessoas quando possível. Ele prefere assistir anime, e jogar MMORPG. Ele é estudante do segundo ano da Suimei Academy (翠明学園, Suimei Gakuen?). Rimi Sakihata (咲畑 梨深, Sakihata Rimi?) é uma misteriosa garota de cabelo rosa que Takumi encontra na cena do crime em sua casa. Rimi foi vestindo o uniforme da escola no momento e apareceu para reconhecer Takumi. Ela é cole ga e foi amiga desde seus primeiros anos de vida com Daisuke. Sua verdadeira intenção mais tarde é revelada para ajudar Shogun e ficar de olho nas ações de Takumi, fazendo ele não aprender a verdade sobre sua identidade e a desilusional existência criada por Shogun. Sena Aoi (蒼井 セナ, Aoi Sena?) é estudante do terceiro ano na Suimei Academy. Takumi primeiro encontra ela em um hall na escola mas rapidamente desculpa ela mesma depois de ter visto um clarão. Ela frequentemente fica em Shibuya segurando uma espada muito longa e comendo sorvete. Ela tenta matar o pai dela, Issei Hatano, pelo sacrificio de sua mãe e sua irmã mais nova para o projeto Noah II, resultando em suas mortes. Yua Kusunoki (楠 優愛, Kusunoki Yua?) é estudante do terceiro ano na Suimei Academy que parece perseguir Takumi mas mais tarde eles se tornam amigos. Ela parece estar bastante em animes e mangás. Entretanto, isso pe tudo mais tarde mostrado quando atua onde é investigando e suspeitando de Takumi de ser o criminoso por trás de New Gen. Sua intenção em investigar Takumi está em achar quem é respolsável pelo envolvimento de suas irmãs-gêmeas, Mia, sobre seu primeiro assassinato, mas revelou para descobrir se Mia se matou para assustar ela.
