Los espers de Ciudad Academia se clasifican 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 puesto más alto entre ellos es el conocido como Accelerator.

Toaru Kagaku no Accelerator se centra en el Nivel 5 más fuerte después de proteger la alegre Last Order al precio de gran parte de su poder. Al recuperarse en el hospital, Accelerator ha llevado una vida relativamente tranquila hasta que termina salvando la vida de Esther Rosenthal, una chica misteriosa 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 Disciplinary Action que planea usar a 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 de su nuevo compañero proteger a Last Order y defender Ciudad Academia en el proceso.