风都的街上不断发生名为掺杂体（Dopant）的怪人作乱的怪异事件。为维护风都和平，私家侦探左翔太郎和拥有全球资料信息大脑的同伴菲利普，一同借助地球内存变身为假面骑士W，与接连出现的掺杂体（Dopant）展开战斗。本作首次采用二人一体变身为假面骑士的设定，也是首次出现需使用两个变身道具进行变身的设定。继《假面骑士》《假面骑士V3》《假面骑士电王》《假面骑士Decade》之后，本作第5次出现TV只有两个假面骑士的设定；继《假面骑士空我》《假面骑士555》《假面骑士剑》《假面骑士Kabuto》《假面骑士Kiva》《假面骑士Decade》之后，第7次出现怪人拥有人类形态的设定。 鸣海侦探事务所是一间普通侦探社，其创立人鸣海庄吉在第1话开头受谢拉德委托，和翔太郎一同前往博物馆的工厂拯救菲利普。过程中，他被博物馆的守卫枪杀，中枪后将自己的代表性事物——帽子交给翔太郎，让翔太郎接手了事务所。 风都署针对掺杂体犯罪成立了专案组，这是风都内翔太郎常去寻找信息和寻求协助的对象。该专案组名字来源于《福尔摩斯》系列小说中的“侦缉队贝克街分队”（The Baker Street Irregulars）。 有一个风都内的名门贵族，拥有名为“博物馆”（原文：ミュージアム/Museum）的秘密组织，他们在风都生产和销售“盖亚记忆体”（原文：ガイアメモリ/Gaia Memory），以收集数据促进进化。他们自认为是“被地球选中的家庭”（地球に选ばれた家族），各自拥有特殊的金色盖亚记忆体，并且使用“地球驱动器”（原文：ガイアドライバー/Gaia Driver）这种腰带型器具变身，以防止使用者失去理性而暴走。正因如此，他们被翔太郎和菲利普称为“干部”。