Gli esper di Academy City sono classificati in sei livelli, dove il "Livello 0" manca di potenza mentre il "Livello 5" ne possiede una quantità schiacciante. Dei diversi milioni di esper che risiedono ad Academy City, solo sette di loro hanno raggiunto il livello 5, e il più alto tra loro è quello noto come Acceleratore. Toaru Kagaku no Accelerator si concentra sul livello 5 più forte dopo aver protetto l'allegro Ultimo Ordine al prezzo di gran parte del suo potere. Ricoveratosi in ospedale, Accelerator ha condotto una vita relativamente tranquilla fino a quando non finisce per salvare la vita di Estelle Rosenthal, una ragazza misteriosa che porta con sé una foto di Last Order. Sfortunatamente, Accelerator si ritrova ora trascinato in un nuovo conflitto sotto forma di una sinistra organizzazione chiamata Disciplinary Action che trama per utilizzare Last Order per una missione pericolosa. Ora che hanno messo in moto il loro piano e sono all'inseguimento della giovane ragazza, tocca all'esper più potente del mondo e al suo nuovo compagno proteggere Last Order e difendere Academy City nel processo.