Os espers de Academy City são classificados em seis níveis, onde "Nível 0" carece de poder enquanto "Nível 5" possui uma quantidade avassaladora. De vários milhões de espers residindo em Academy City, apenas sete deles alcançaram Level 5, e classificado mais alto entre eles é aquele conhecido como Accelerator. Toaru Kagaku no Accelerator foca no Level 5 mais forte depois que ele protege a alegre Last Order ao preço de muito do seu poder. Se recuperando no hospital, Accelerator teve uma vida relativamente tranquila até ele acabar salvando a vida de Estelle Rosenthal, uma rapariga misteriosa carregando uma foto de Last Order. Infelizmente, Accelerator agora se vê arrastado para um novo conflito na forma de uma organização sinistro chamada Disciplinary Action que traça usar Last Order para uma missão perigosa. Agora que eles colocaram seu plano em movimento e estão em perseguição da jovem rapariga, cabe ao esper mais poderoso do mundo e seu novo companheiro proteger Last Order e defender Academy City no processo.
