Los espers de Ciudad Academia están clasificados en seis niveles, donde "Nivel 0" carece de poder, mientras que "Nivel 5" posee una cantidad abrumadora. De los varios millones de Espers que residen en Ciudad Academia, solo siete de ellos han alcanzado el Nivel 5, y el más alto de ellos es el conocido como Acelerador.

Toaru Kagaku no Accelerator se enfoca en el Nivel 5 más fuerte después de que protege a la Última Orden alegre al precio de gran parte de su poder. Recuperándose en el hospital, Accelerator ha llevado una vida relativamente tranquila hasta que termina salvando la vida de Estelle Rosenthal, una misteriosa chica que lleva una foto de Last Order. Desafortunadamente, Accelerator ahora se ve arrastrado a un nuevo conflicto en la forma de una organización siniestra llamada Acción disciplinaria que planea usar Last Order para una misión peligrosa. Ahora que han puesto en marcha su plan y están persiguiendo a la joven, depende del esper más poderoso del mundo y su nuevo compañero para proteger a Last Order y defender a Ciudad Academia en el proceso.