Заполненный студентами Академгород находится в авангарде научных достижений и является домом для программы развития эсперов. Семь эсперов пятого уровня являются самыми могущественными в Академгороде, и третье место среди них занимает ученица средней школы Микото Мисака, манипулятор с электричеством, известный как «Рейлган».

Когда по всему городу начинают происходить странные инциденты, она обнаруживает, что каждое преступление связано с неуловимым «Верхним уровнем», легендарным устройством, которое якобы повышает уровень экстрасенсов пользователя. По мере обострения ситуации становится очевидным, что на верхнем уровне есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд, и что Академгород может быть гораздо более запутанным местом, чем гламурная утопия, которой он кажется.

Toaru Kagaku no Railgun сосредотачивается на Микото и ее друзьях - и на опасных ситуациях, в которых они оказываются, - когда они увлекаются вопросом Высшего Уровня. Как говорит Микото: «В этом городе никогда не бывает скучно».