Les Espers de la Cité Académique sont classés en six différents niveaux. Le niveau "0" regroupe les plus faibles et le niveau "5" les plus forts. Sur plusieurs millions d'Espers résidant à la Cité Académique, seulement sept ont atteint ce niveau "5", parmi eux, le plus fort de cette catégorie se fait appeler Accelerator. Toaru Kagaku no Accelerator suit l'histoire du plus fort des Espers après avoir protégé Last Order au prix d'une grande partie de sa puissance. En récupérant de ces derniers événements, Accelerator a mené une vie relativement calme jusqu'à ce qu'il sauve la vie d'Estelle Rosenthal, une mystérieuse fille possédant une photo de Last Order. Malheureusement, Accelerator se retrouve maintenant plongé dans un nouveau conflit lié à une organisation sinistre appelée Disciplinary Action, qui envisage d'utiliser Last Order pour une mission dangereuse. Maintenant qu'ils sont à la recherche de la jeune fille, il appartient au plus puissant Esper et à son nouveau compagnon de protéger Last Order ainsi que la Cité Académique.