Toaru Kagaku no Railgun berlatar belakang di Academy City yang merupakan tempat yang sangat maju dalam hal teknologi. Hal ini bisa dikatakan lebih maju 20 sampai 30 tahun ke depan dari seluruh dunia, dan 80% dari 2,3 juta penduduk yang adalah mahasiswa. Fokus studi di sini diarahkan pada kekuatan esper. Misaka Mikoto, salah satu esper tingkat atas di kota tersebut, berbagi kamar dengan Kuroko Shirai, esper lain tingkat tinggi yang merupakan Judgment, sebuah lembaga penegak hukum yang terdiri dari siswa di kota Academy. Keduanya berada di sekolah Tokiwadai, sebuah sekolah swasta disediakan untuk siswa di tingkat tinggi dan kaya. Mitra Kuroko itu di Judgment, Kazari Uiharu, adalah esper tingkat rendah yang belajar di sekolah menengah Sakugawa. Teman sekelas yang terbaik di sana adalah Ruiko Saten, seorang esper tingkat nol, yang tidak memiliki kekuatan esper. Bersama-sama, mereka berempat mengalami beberapa petualangan di kota Academy menarik.