Mikoto Misaka và những người bạn của cô ấy đã trở lại, điều tra những tin đồn trên khắp Thành phố Học viện. Chẳng bao lâu, Mikoto phát hiện ra một điều đáng sợ: những thí nghiệm kinh hoàng đang diễn ra khắp thành phố, liên quan đến vụ giết hại hàng nghìn siêu năng lực gia. Hơn nữa, những siêu năng lực gia này khác xa với những người bình thường: họ là bản sao của chính Mikoto. Cảm thấy có trách nhiệm đối với việc điều trị của họ, cô bắt đầu chấm dứt các thí nghiệm; tuy nhiên, các thế lực chống lại cô ấy nguy hiểm hơn nhiều so với cô ấy dự đoán, và Mikoto thấy mình phải chống lại một số siêu năng lực gia mạnh nhất có thể tưởng tượng được. Toaru Kagaku no Railgun S tiếp tục câu chuyện về Railgun khi cô tuyệt vọng chiến đấu để chấm dứt những thí nghiệm vô nhân đạo mà cô tin rằng mình đã giúp gây ra, cuộc sống của cô chìm sâu vào tuyệt vọng trong quá trình này. Không bao giờ có một khoảnh khắc buồn tẻ nào trong Thành Phố Học Viện, nhưng không ai từng nói rằng tất cả chúng sẽ dễ chịu.