物語は、東京の三分の一を占める巨大な都市「学園都市」を舞台に繰り広げられる。ここには230万人が居住し、そのうち8割が学生である。学園都市のすべての学生は、薬物、催眠術、電気刺激などの方法によって超能力開発を受け、特殊能力を獲得する。能力者はその範囲と威力によってLV0からLV5に分類される。 主人公の御坂美琴は、学園都市にわずか7人しかいないLV5（超能力者）の一人であり、第三位にランクされている。彼女は電気を操る能力を持つ「電撃使い」で、電撃能力の頂点に立つことから「超電磁砲」と呼ばれている。 本作は、美琴の視点を通じて学園都市の平穏ながらも非凡な日常を描くだけでなく、学園都市が秘密裏に行っている非人道的な実験にも触れ、本作および原作『とある魔術の禁書目録』の背景（世界観）に対する理解を徐々に深めていく。