『学園都市』。一八〇万人を超える学生が集い、超能力開発が行われている巨大区域。教師によるボランティア組織『警 備員(アンチスキル)』や学生による『風紀委員(ジャッジメント)』によって守られたその日常の裏側には、今日も路地裏でい たいけな少女に絡む不良学生たちの姿があった。そんな不良学生たちを、一筋の電光が一蹴する。しびれて地に伏す不良たちの中 に傲然と立つその人の名は、御坂美琴。学園都市に七人しかいない『超能力者(レベル5)』の第三位にして、『超電磁砲(レールガン)』の異名を持つ少女の姿だった。そして、白井黒子、初春飾利、佐天涙子。四人による学園都市の日常が、ふたたび幕を開ける。

『広域社会見学』を前に、買い物に出かける美琴たち。ショッピングモールへの近道を使うが、普段は人通りのない狭い裏 路地に、なぜか多くの学生たちの姿が見える。不思議に思う美琴たちは、その原因となっている『マネーカード』の入った封筒を拾う。固法によると、第七学区のあちこちで同様の現象が起きており、拾得届けも日増しに増えているのだという。そんな折、噂に目のない佐天に連れられ、終日マネーカード探しに付き合うことになった美琴。完全下校時刻になり、へとへとになった彼女の耳に、件の封筒の『落とし主』らしい少女を見つけたという、『武装無能力者集団(スキルアウト)』たちの会話が飛び込んでくる――。

いるはずのないところで目撃された自分。『超能力者(レベル5)』のクローン製造計画と軍事利用、そしてそれが自分のDNAマップを元にされているという噂……。美琴が出会った不思議な少女・布束によって呼び起されたその記憶によって、美琴の心は冷やされていく。なにかを知る様子の布束を問い詰めるも、謎めいた言動で煙にまかれてしまう。そして、長点上機学園の生徒であるという布束について調べるうちに、点と点が結び付いていき……美琴はとある研究施設に忍び込む――。

忍び込んだ研究所で、美琴は『クローン製造計画の中止』を知る。自分のDNAマップが悪用されなかったことを確認し、晴れ晴れとした気持ちになった美琴は、初春や佐天たちとショッピングに出かけることに。近く行われる『広域社会見学』に想いを馳せ、黒子が引いてしまうほどのテンションの高さを発揮する美琴。初春たちも少々戸惑い気味ながらも、かわいいものを前に心がときめく。意外な才能を発揮したりする美琴を中心に、四人は楽しい時間を過ごす。瞬く間に過ぎていく、夏休みの一日――。そんな学園都市の風景の裏側では、とある実験が静かに進行していた。

自分と同じ能力に干渉されたような、気味の悪い感覚に導かれ、美琴がたどり着いた先には常盤台中学の制服を着た少女が佇んでいた。鏡に映したように、自分とうり二つの姿をした少女。二人の間を沈黙が支配する中、少女の発した奇妙なひと言とは――。「ミサカ」と名乗るその少女にすっかりペースを握られた美琴は、彼女に言われるままに、木の上の猫を助けることに。事が済んだ後、ミサカは美琴を「お姉様」と呼び、彼女のクローンであることをあっさりと認めてしまう。そのちぐはぐな状況に、美琴は戸惑うばかりだった。

中止されたはずの計画が続行されていた――『妹達(シスターズ)』を運用した絶対能力者(レベル6)への進化法。美琴の探り当てた情報は、予想以上の『実験』内容に大きなショックを受けながらも、その実験場にたどり着いた彼女を待ち構える無残な光景。それは、ミサカが惨殺される現場だった。怒りのままに、その場にいた『白い人影』に攻撃を加える美琴だったが、彼女の全力の一撃は簡単にはね返されてしまう。白い人影は、学園都市の第一位、あらゆるベクトルを自在に操る『超能力者』、一方通行(アクセラレータ)だった。

『実験』の名のもとに次々と命を落としていく『妹達』。殺される運命を受け入れた彼女たちの姿と、なにより、過去の自分の行動により『実験』が成立している事実に、美琴は深く罪の意識を抱く。そして布束との再会を機に、美琴は計画に携わっている研究機関に対して、ただひとり、戦いを挑んだ。サイバーテロを仕掛け、直接、施設に忍び込み、打撃を与え続け――。そんな張りつめた戦いの裏側で、様子のおかしい美琴を心配する黒子。相談すらしてもらえない自分の無力さに悩みながらも、研究機関で相次ぐ不審火の報告を聞き、パトロールに出かけた彼女は、『幸運のカード』を探す子供たちと出会う。

『妹達』と、それにかかわる『実験』を中止に追い込むーーその決意を胸にした美琴の手によって、次々と稼動不能にされていった研究施設も、残すところあと二箇所。しかし、『実験』を行う者たちも、美琴に蹂躙されるまま、ただ手をこまねいていたわけではなかった。ターゲットは電気を操る能力者。施設に潜入したときのみ、その排除にあたるべし――。そんな奇妙な依頼を受け、とある暗部組織が動き出す。そのことも知らず、病理解析研究所に潜入を果たした美琴の前にめぐらされた数々の罠。そして彼女を誘うかのように、ひとりの少女が姿を現す。一方、残るひとつの施設、脳神経応用分析所には、布束が現れ――。

施設防衛の依頼を受けた暗部組織『アイテム』のひとり、フレンダによって張り巡らされた罠を突破し彼女を追い詰めた美琴。その目の前を、まばゆい光の帯が駆け抜ける。現れたのは『アイテム』のリーダーにして『原子崩し(メルトダウナー)』の名を持つ、第四位の『超能力者(レベル5)』麦野沈利だった。消耗していた美琴は逃亡を図るが、麦野の激しい攻撃は止む気配を見せるどころか、着実に後を追ってくる。それは麦野の背後にいるもうひとりの『アイテム』のメンバーの能力で――。一方、脳神経応用分析所に呼び出された布束は、かつて自らがかかわっていた研究の後始末をつけるべく、決意を固めていた。

『原子崩し』と『能力追跡(AIMストーカー)』――『アイテム』の強力な連携によって、美琴は追い詰められる。追う側である麦野は、今戦っている相手を学園都市第三位の『超電磁砲』と認め、一騎討ちを挑む。能力を使いすぎて実力を発揮できない美琴は、フレンダの残した爆弾入りのぬいぐるみを使って対抗しようとするが、麦野も暗部組織の戦い方を見せつけるように、己の弱点をカバーする『切り札』で美琴のもくろみを打ち砕く。それでも美琴はなんとか絶体絶命のピンチをくぐり抜け施設の破壊に成功したが、麦野の執拗な追撃は続き――。

関係していた研究機関は全て稼働を停止し、『実験』を中止に追い込むという自分の目的は達せられた。孤独な戦いを終えて、ついに日常へと戻った美琴の前に、ツンツン髪の少年、上条当麻が姿を現す。なにかと絡んできてはやりあっていたはずなのに、その事実を覚えていない上条にキレる美琴。さらに自分を慕う後輩の黒子が乱入してきての大騒ぎが始まる――。以前と変わらぬ、日常の空気に安心しかけた美琴の前に現れたのは、『妹達』。自分がとどめを刺したはずの『実験』は、依然として継続されている。愕然とする美琴に、さらに驚愕の事実が立ちはだかる――。

これまで自分が相手にしていたのは、学園都市そのものだった。『実験』――『絶対能力進化(レベル6シフト)計画』という巨大な"闇"を調べるうちに、どうしようもない無力感に囚われそうになる美琴。しかし、自分の全てをかけてでも、この計画を終わらせなくてはならない。美琴はついに、計画の実行を示唆した学園都市最高の英知を結集したスーパーコンピュータ『樹形図の設計者(ツリーダイアグラム)』を標的に定める。一方、捨て猫を前に逡巡している『ビリビリの妹』に出会った上条は、巻き込まれるように猫の世話を押し付けられることになり――。