La historia da comienzo cuando un muchacho de segundo año de instituto llamado Daichi Manatsu de repente ve en televisión un misterioso objeto circular multicolor flotando sobre Tanegashima, y lo hace el mismo día anterior a empezar sus vacaciones de verano. “Ese arcoírisi lo he visto antes…” dice para sí mismo. Llevado por un extraño presentemiento, se dirige hacia Tanegashima, donde está el Centro Espacial de Tanegashima, en solitario. El misterio de la muerte accidental de su padre. Recuerdos de misteriosos chicos y chicas que conoció durante su infancia. Daichi llega a la isla repleto de complejas emociones y entonces la alarma salta en el centro espacial de Tanegashima cuando él se encuentra con el robot “Earth Engine”. A Daichi le preguntan: “¿Eres el Capitán?”. El objetivo son las misteriosas formas de vida mecánicas conocidas como “Kirutogangu” que invande el planeta desde Urano. Ahora, con las estrellas del cielo en llamas, se abre el telón de su batalla…

Cuando Daikichi regresa a casa para el funeral de su abuelo, se encuentra con una niña desconocida en el jardín. Después su madre le explica que es la hija ilegitima de su abuelo. La presencia de la niña le causa vergüenza a todos los familiares y nadie quiere adoptarla. Daikichi, molesto por tal actitud, decide cuidar de ella él mismo. ¿Cómo se desarrollará la vida entre el soltero y la silenciosa Rin?

La historia sigue a Otonashi, un adolescente que tras morir despierta en el patio de un gigantesco colegio y sin recordar nada sobre su vida excepto su apellido. Al despertar encuentra a su lado a una chica llamada Yuri quien le explica que ya está muerto, ese lugar es el Otro Mundo y lo invita a unirse a la "Shinda Sekai Sensen" (SSS) o Frente del mundo de los muertos (Nombre en turno), una organización que ella fundó y dirige para poder luchar contra Dios y encontrar una solución lógica a su ya ilógica existencia en ese mundo —el lugar donde ocurre la serie es una contraparte del purgatorio, mientras que en el purgatorio uno paga sus pecados, en este lugar se cumplen los deseos inconclusos—.

La historia se sitúa en Ciudad Academia, una ciudad tecnológicamente avanzada localizada al oeste de Tokio que se especializa en el desarrollo de poderes psíquicos, pero también se sitúa en un mundo donde la magia es real. Touma Kamijou es un estudiante de instituto que posee en su mano derecha un misterioso poder llamado Imagine Breaker, el cual puede negar cualquier fenómeno sobrenatural ya sea psíquico o mágico, lo que también anula su propia buena suerte. Un día encuentra a una chica llamada Index colgada de su balcón. Ella es una monja que posee en su mente el Index Librorum Prohibitorum, el cual es una colección de 103.000 libros mágicos. Cuando los caminos de la ciencia y la magia se cruzan, esta historia comienza.

En una ciudad donde gran parte de las personas tiene poderes sobre humanos que pueden ser explicados por medio de la ciencia, Misaka Mikoto es conocida como “Railgun” uno de los pocos Esper que llegaron al nivel 5 el máximo nivel de poder que se puede poseer.

La trama se centra en la clase 3-E de la secundaria Kunugigaoka, que tiene por objetivo matar a su profesor: "Koro-sensei", un ser con tentáculos que destruye parcialmente la Luna dejando una permanente Luna creciente y amenaza con destruir la Tierra en el plazo de un año, a menos que uno de sus alumnos lo asesine antes de la graduación. Para motivar a la clase a acabar con Koro-sensei, el gobierno promete dar como recompensa 10 mil millones de yenes a quien lo consiga.