Os espers da Academia City são classificados em seis níveis, onde "Nível 0" não tem poder, enquanto "Nível 5" possui uma quantidade avassaladora. Dos vários milhões de espers residentes na Academy City, apenas sete deles atingiram o nível 5, e o mais alto entre eles é o conhecido como Accelerator. Toaru Kagaku no Accelerator foca no nível 5 mais forte depois que ele protege a alegre Last Order ao preço de grande parte de seu poder. Recuperando-se no hospital, Accelerator levou uma vida relativamente tranquila até que ele acabou salvando a vida de Estelle Rosenthal, uma garota misteriosa carregando uma foto do Last Order. Infelizmente, o Acelerador agora se vê arrastado para um novo conflito na forma de uma organização sinistra chamada Ação Disciplinar, que planeja usar o Último Pedido para uma missão perigosa. Agora que eles colocaram seu plano em ação e estão em busca da jovem, cabe ao mais poderoso esper e seu novo companheiro proteger o Last Order e defender a Academia City no processo.