Os espers de Academy City são classificados em seis níveis, nos quais o "Nível 0" não possui poder, enquanto o "Nível 5" detém uma quantidade esmagadora. Dos milhões de espers que residem em Academy City, apenas sete alcançaram o Nível 5, e o mais bem classificado entre eles é conhecido como Accelerator. Toaru Kagaku no Accelerator foca no Nível 5 mais forte depois que ele protege a alegre Last Order, pagando o preço de grande parte de seu poder. Em recuperação no hospital, Accelerator levava uma vida relativamente tranquila até que ele acaba salvando a vida de Estelle Rosenthal, uma garota misteriosa que carrega uma foto de Last Order. Infelizmente, Accelerator agora se vê arrastado para um novo conflito na forma de uma organização sinistra chamada Disciplinary Action, que planeja usar Last Order para uma missão perigosa. Agora que eles colocaram seu plano em ação e estão em busca da jovem, cabe ao esper mais poderoso do mundo e à sua nova companheira proteger Last Order e, no processo, defender Academy City.