Akcja anime toczy się w mieście akademickim, które, pomimo iż liczy sobie około dwa miliony mieszkańców, składa się w 80 procentach z uczniów i studentów, przybywających tu, by trenować swe nadprzyrodzone umiejętności.

Główną bohaterką serii jest niejaka Misaka Mikoto, jedna z siedmiu osób w całym mieście posiadających najwyższy, piąty poziom umiejętności. Dziewczyna znana jest jednak bardziej jako „działo elektromagnetyczne” z powodu posiadanej mocy. W serii, obok Misaki, występują również inne ważne postaci: Shirai Kuroko i Uiharu Kazari. Obydwie dziewczyny należą do pewnej organizacji zrzeszającej uczniów walczących ze złoczyńcami, dzięki czemu możemy się spodziewać pięknych i dynamicznych walk. Ostatnią z bohaterek pierwszoplanowych jest Saten Ruiko, dziewczyna bardzo ubolewająca nad tym, iż nie posiada żadnych mocy (i starająca się za wszelką cenę takowe zdobyć).