Academy City yang dipenuhi oleh para siswa berada di garis depan kemajuan ilmu pengetahuan dan rumah bagi program pengembangan esper. Tujuh esper "Level 5" adalah yang paling kuat di Academy City, dan peringkat ketiga di antara mereka adalah siswa sekolah menengah Mikoto Misaka, seorang manipulator listrik yang dikenal sebagai "The Railgun." Ketika kejadian aneh mulai terjadi di seluruh kota, ia menemukan bahwa setiap kejahatan terkait dengan "Level Upper" yang sulit dipahami, sebuah perangkat legendaris yang diduga meningkatkan level esper penggunanya. Seiring dengan meningkatnya situasi, menjadi jelas bahwa ada lebih banyak hal tentang Level Upper daripada yang terlihat, dan bahwa Academy City mungkin merupakan tempat yang jauh lebih bengkok daripada utopia glamor yang terlihat. Toaru Kagaku no Railgun berfokus pada Mikoto dan teman-temannya - dan situasi berbahaya yang mereka hadapi - ketika mereka terjebak dalam masalah Level Upper. Seperti yang dikatakan Mikoto, "Tidak pernah ada waktu yang membosankan di kota ini."