Mikoto Misaka dan teman-temannya kembali, menyelidiki rumor di Academy City. Segera, Mikoto menemukan sesuatu yang menakutkan: eksperimen mengerikan sedang berlangsung di seluruh kota, yang melibatkan pembunuhan ribuan esper. Selain itu, esper ini jauh dari orang biasa: mereka adalah tiruan dari Mikoto sendiri. Merasa bertanggung jawab atas perawatan mereka, dia berangkat untuk mengakhiri eksperimen; Namun, kekuatan yang menentangnya jauh lebih berbahaya daripada yang dia perkirakan, dan Mikoto menemukan dirinya melawan beberapa esper terkuat yang bisa dibayangkan.

Toaru Kagaku no Railgun S melanjutkan cerita Railgun saat dia mati-matian berjuang untuk mengakhiri eksperimen tidak manusiawi yang dia percaya dia bantu, hidupnya menyeret jauh ke dalam keputusasaan dalam prosesnya. Tidak pernah ada momen yang membosankan di Academy City, tapi tidak ada yang pernah mengatakan semuanya akan menyenangkan.