Academy City yang dipenuhi oleh para siswa berada di garis depan kemajuan ilmu pengetahuan dan merupakan rumah bagi program pengembangan esper. Tujuh esper “Level 5” adalah yang paling kuat di Academy City, dan peringkat ketiga di antara mereka adalah siswa sekolah menengah Mikoto Misaka, seorang manipulator listrik yang dikenal sebagai “The Railgun.”
Ketika kejadian aneh mulai terjadi di seluruh kota, dia menemukan bahwa setiap kejahatan terkait dengan “Level Upper” yang sulit dipahami, sebuah perangkat legendaris yang diduga meningkatkan level esper penggunanya. Ketika situasi meningkat, menjadi jelas bahwa ada lebih banyak hal tentang Level Upper daripada yang terlihat, dan bahwa Academy City mungkin merupakan tempat yang jauh lebih bengkok daripada utopia glamor yang terlihat.
Toaru Kagaku no Railgun berfokus pada Mikoto dan teman-temannya-dan situasi berbahaya yang mereka hadapi-saat mereka terjebak dalam masalah Level Atas. Seperti yang dikatakan Mikoto, “Tidak pernah ada waktu yang membosankan di kota ini.”
