Em Academy City, uma metrópole futurista onde a ciência dita as regras e a maioria da população é composta por estudantes, o desenvolvimento de poderes psíquicos — os espers — é a base de tudo. Entre milhões de alunos, apenas sete alcançaram o cobiçado Nível 5. Mikoto Misaka, a terceira mais poderosa desse seleto grupo, é conhecida como a "Railgun" devido à sua habilidade devastadora de disparar projéteis metálicos com velocidade supersônica.

Embora tenha um cotidiano de estudante, a vida de Mikoto está longe de ser pacata. Ao lado de sua amiga e colega de quarto, Kuroko Shirai, integrante do comitê disciplinar Judgement, ela se vê envolvida em uma série de incidentes perigosos que revelam uma face sombria da cidade. O que começa como uma investigação sobre artefatos suspeitos logo escala para conspirações que ameaçam não apenas o equilíbrio de Academy City, mas a segurança de todos ao seu redor.