L'histoire se déroule dans un monde où se mêle pouvoir surnaturel et magie. Dans la cité académique comptant pas moins de 2,3 millions d'habitants, 80% sont des étudiants travaillent pour un programme de développement du cerveau humain. Mikoto Misaka est une étudiante de la Cité Scolaire. Cette grande ville universitaire accueille les étudiants pourvus de dons qu'on appelle espers. Ils sont classés par niveau; de 0, absence de don, à 5, les dons les plus puissants. Misaka est la troisième plus puissante des sept niveau 5. Elle contrôle les champs électriques et magnétiques. Cette jeune fille vit dans la partie de l'école la plus réputée de la Cité Scolaire et cohabite avec Kuroko Shirai, esper de niveau 4 qui possède le don de téléportation et faisant partie de Judgment, une organisation qui enquête pour régler les problèmes de la Cité Scolaire. Accompagnées par deux autres amies elles vont tenter de résoudre certains problèmes qui pourraient mettre en danger la cité toute entière.