Toaru Kagaku no Railgun Season 1 berfokus pada kehidupan Mikoto Misaka, esper Level 5 terkuat ketiga, di Academy City yang canggih. Bersama teman-temannya (Kuroko, Uiharu, Saten), ia menyelidiki misteri "Level Upper", sebuah berkas suara yang rumornya dapat meningkatkan kekuatan esper, sekaligus mengungkap konspirasi gelap di balik teknologi tersebut.