Mikoto Misaka dan teman-temannya kembali, menyelidiki rumor yang beredar di seluruh Kota Akademi. Segera, Mikoto menemukan sesuatu yang menakutkan: eksperimen mengerikan sedang berlangsung di seluruh kota, yang melibatkan pembunuhan ribuan espers. Terlebih lagi, para espers ini bukanlah manusia biasa: mereka adalah kloningan Mikoto sendiri. Merasa bertanggung jawab atas perlakuan mereka, dia berangkat untuk mengakhiri eksperimen tersebut; namun, kekuatan yang menentangnya jauh lebih berbahaya daripada yang dia perkirakan, dan Mikoto mendapati dirinya berhadapan dengan beberapa espers paling kuat yang bisa dibayangkan. Toaru Kagaku no Railgun S melanjutkan kisah Railgun saat dia mati-matian berjuang untuk mengakhiri eksperimen tidak berperikemanusiaan yang dia yakini telah dia bantu, dan dalam prosesnya dia terseret ke dalam keputusasaan. Tidak pernah ada momen yang membosankan di Academy City, tetapi tidak ada yang pernah mengatakan bahwa semuanya akan menyenangkan.