『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。

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。

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。

『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――。

『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。

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……。

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――。