In Academy City, einer Metropole, die vollgestopft ist mit Schülern und an der Spitze des wissenschaftlichen Fortschritts steht, läuft das Esper-Entwicklungsprogramm. Die sieben "Level 5"-Esper gelten als die mächtigsten Individuen innerhalb der Stadt. Dabei belegt Mikoto Misaka, die die Mittelschule besucht, Elektrizität manipuliert und als "The Railgun" bekannt ist, den dritten Rang. Als in der Stadt merkwürdige Vorfälle auftreten, entdeckt sie, dass jedes Verbrechen mit dem mysteriösen "Level Upper" verknüpft ist, einem legendären Gerät, das angeblich in der Lage ist, das Level eines Esper zu steigern. Während sich die Lage zuspitzt, wird deutlich, dass der Level Upper mehr verbirgt, als man auf den ersten Blick ahnt, und dass Academy City ein weitaus verdrehterer Ort sein könnte, als die glanzvolle Utopie, die es zu sein scheint. Toaru Kagaku no Railgun konzentriert sich auf Mikoto und ihre Freunde sowie die gefährlichen Situationen, in die sie geraten, während sie in die Level Upper-Affäre verwickelt werden. Wie Mikoto selbst sagt: "In dieser Stadt wird es nie langweilig."