『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、五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。探り当てた“実験”の内容に大きなショックを受け、その実験場に向かった美琴を待ち構えていたのはあまりにも無残な光景、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――。

『樹形図の設計者』――学園都市が誇る、『未来予測』すら可能な超高速演算装置。すべての始まりであるそのハイテクコンピュータをハッキングし、忌まわしき計画を阻止しようと施設に赴いた美琴は、そこで衝撃の事実を知ってしまう。すでに、『樹形図の設計者』は何者かの攻撃を受けて大破、稼働していない――。自分の為すべきことを見失った美琴は、半ば自暴自棄になりながらも、手近な施設に襲撃をかける。『樹形図の設計者』が壊れてしまったのならば、計画に関わるものをすべて潰してしまえばいい。だが、破壊の限りを尽くす彼女の目に映ったのは、施設内でモニタされていた実験の光景で――。一方、見失った御坂妹を探すうち、上条は、路地裏で信じられない光景に遭遇する。

お姉様から、何か言ってくださるまでは、じっと待つ。そう決意しながらも、連日の美琴不在に不安を募らせる黒子。そんな彼女のもとに、意外な人物――お姉様にちょっかいをかけていた上条が現れた。黒子は、わずかでも美琴の手掛かりを得ようと、自分の部屋に招き入れる。しかしそこに寮監が見回りにやってきてしまい、上条をベッドの下へと追し込める。ベッドの下で息を殺す上条だったが、そこである資料――自分が出会った御坂妹が参加している『実験』の裏側に隠された真実を見つける。美琴の孤独な戦いを知った上条は、夜の学園都市を走りだす。一方、美琴は、自らが為すべき最後の選択肢にたどり着いていた――。

すべての始まりの原因となった自分が、計画を止めなくてはならない。そのためには死を選ぶことすらためらわない――。そう決意する美琴を、ボロボロになりながらもなんとか止めた上条。そして、彼は「みんなが笑っていられる幸せな結末」をつかみ取るために、御坂妹たちがいる次の実験場へと走る。待ち受けるのは、学園都市最強の『超能力者』一方通行。身の程を知らずに立ち向かってくる『最弱』上条当麻に対して、『最強』一方通行の容赦のない攻撃をが叩き込まれ……。時がすこし経ち、上条を追ってようやく戦いの場にたどり着いた美琴。そこで見たものは意外な光景で――！

上条の拳によって地面に沈んだ一方通行が展開した秘策は、空気、風、大気、そのベクトルすべてを手中に収め、上条にぶつけるということだった。『最強』を超える『無敵』にたどり着こうとしている一方通行によって、上条は打ち倒される。さらなる絶対的な力を振るおうとする一方通行。美琴はそれを阻止しようとするが、超能力者である自分がこの『実験』に参加してしまえば、上条の狙い――『最弱』が『最強』を倒すことによって『樹形図の設計者』の未来予測をぶち壊す――が崩れてしまう。それを止めることができるのは『妹達』だけだった。美琴は、「アイツの夢を守ってあげて」と御坂妹に助力を頼み――。上条当麻と一方通行が再び対峙し、最後の激突を迎える――。

『最弱』の右拳によって、美琴のクローン『妹達』を巡る事件に幕が引かれ、再び平穏な日常が戻ってきた。そんなある日。寮監の厳しいチェックをくぐり抜け、美琴と黒子は時間外外出許可を取る。目的は、佐天の部屋で行われる勉強会（実はその本質は『鍋パーティ』なのだが）に参加するため。このところ、美琴が黒子たちの相手をできなかった、その埋め合わせとして企画されたのだった。佐天、初春、黒子は、夕方の待ち合わせまで、それぞれの自由な時間を楽しむ。そして美琴は、『妹達』が収容されている、カエル顔の医師の病院を訪れていた――。

『乱雑開放』事件以来、入院しリハビリに励んでいた枝先が無事、退院できることに。独り暮らしをしたことが無い彼女を案じる春上は、二人で同居することを決める。春上の引っ越しの準備を進める初春はどこか寂しそうだった。そして迎えた枝先の退院の日。お祝いのために美琴たちで集まることにしたのだが、信号機のトラブルが発生し、風紀委員の黒子と初春は出動を余儀なくされる――。一方、ひったくりを捕まえた婚后たちは、見知らぬ学生に能力を使い解決したことをとがめられる。その裏側では『アイテム』の面々が、奇妙な任務に振り回されており……。

公園の花畑で倒れていた見知らぬ子供を見つけた美琴たち。フェブリと名乗る少女は、なぜか美琴の名前を知っていた。美琴には全く心当たりがなく、風紀委員にも該当する迷子の情報は届いていない。すっかり佐天に懐いてしまったフェブリを、佐天と初春が協力して預かることに。次の日、各種データベースに写真照会をかけるも、やはりフェブリの情報はなく、フェブリは『置き去り』として処理されることになった。あすなろ園への受け入れが決まったフェブリだが、入園までの５日間はみんなで面倒を見ることになる。美琴は自分も名前で呼んでもらえるよう、奮闘するが――。

学園都市の、非能力系発表会、通称『学究会』会場内で、警備ロボットの暴走事故に巻き込まれそうになるフェブリ。大事には至らなかったものの、誤作動するはずのないロボットが動き出したという、不審な点が残っていた。一方、ゲコ太人形を巡って攻防戦を繰り広げるうち、フェブリと仲良くなった美琴は、固法たち風紀委員の面々と合流して、銭湯にて裸のお付き合いを敢行する！　楽しい時間を過ごしたその帰り道。突然、駆動鎧が襲いかかってくる。美琴が能力で制御しようとしたもののなぜか通じず、婚后の助けでようやく撃退するが、今度はフェブリが倒れてしまい――。

フェブリをを回収しようとしている何者かの存在。そして、フェブリが『科学的に作られた人造物』であるというカエル顔の医者の言葉――。フェブリを巡る状況は、にわかにきな臭さを増してくる。そしてミサカから伝えられる、フェブリの『姉』の存在と、『学習装置』の痕跡。暗部が関連している可能性を示唆されたことで、佐天たちに真実を伝えられないでいた美琴だが、婚后の何気ない一言を受けて、皆でフェブリを救おうと決意する。警備員ですら触れることも許されない、学園都市の深い闇。その存在を知らされてなお、佐天たちは真っ直ぐにフェブリを救うための方策を考え始め――。

フェブリに残された時間は、72時間。彼女を救う手がかりを得るべく、美琴は収監されているテレスティーナの元に向かう。学園都市で暮らす子供たちは、全て実験用のモルモットだと吐き捨てるテレスティーナ。しかし美琴は、その闇を覗き見てもなお、学園都市を嫌うことはできないと答える。2人はにらみ合うが、ついにテレスティーナは美琴に手がかりを与える。それは、フェブリが『ケミカロイド』と呼ばれる存在で、彼女を作ったという学究会への糸口だった。一方、偽情報をつかまされた『アイテム』の面々は、自分たちをはめた相手を追い詰めるべく、 行動を開始する……。

学園都市では能力のレベルのみで価値を判断する。そして能力の開発は、先天的資質に負うところが大きい。ならば、現行の方式とは異なる方法で能力者をゼロから作り出すことができれば――。罠にはめられた美琴と布束に向けて、有冨の口から語られる『ケミカロイド計画』の全貌。彼ら『スタディ』は学究会当日に大規模公開実験を行い、学園都市に革命を起こすという。薬で体の自由を奪われた美琴は、自分の過去がもたらした事件をひとりで背負おうとする布束に、以前の自分の姿を重ねる。そんなふたりの前に、信頼する仲間たちが助けに現れ――！

有冨たち『スタディ』による『革命』――二万体もの駆動鎧を使ったテロが始動する。その企みを阻止せんと、学究会各会場で奔走する黒子、初春、佐天、婚后たち。さらに多くの風紀委員たちの力を借りて、駆動鎧を会場敷地内に押しとどめ、テロの進行を防ぐ。思わぬ抵抗に、『ケミカロイド』ジャーニーへの負担は増してゆき、布束は自分の選択に迷いを見せる。そして、美琴とフェブリは本丸である有冨たちの元にたどり着いた。もう自分は、ひとりではない。共に戦う皆の姿を胸に、美琴は迫る駆動鎧をなぎ倒して進む。その先に待っているのは――。