Mikoto Misaka dan teman-temannya telah kembali untuk menyelidiki berbagai rumor yang beredar di Academy City. Tak lama kemudian, Mikoto menemukan kenyataan yang mengerikan: eksperimen keji tengah berlangsung di seluruh kota, yang melibatkan pembunuhan ribuan esper. Terlebih lagi, para esper ini bukanlah orang biasa, melainkan klon dari diri Mikoto sendiri. Merasa bertanggung jawab atas nasib mereka, ia pun bergerak untuk menghentikan eksperimen tersebut. Namun, kekuatan yang menentangnya jauh lebih berbahaya dari yang ia duga, dan Mikoto harus berhadapan dengan beberapa esper terkuat yang pernah ada.
Toaru Kagaku no Railgun S melanjutkan kisah sang Railgun yang berjuang mati-matian untuk mengakhiri eksperimen tidak manusiawi yang ia yakini bermula karena dirinya, meski hidupnya sendiri harus terseret ke dalam jurang keputusasaan dalam proses tersebut. Tidak pernah ada momen membosankan di Academy City, namun tidak ada pula yang menjamin bahwa semuanya akan berakhir menyenangkan.
Duh, perjuangan Mikoto-chan buat nyelatin para Sisters bener-bener bikin Yuno mau nangis saking terharunya nyaa~ (*T-T)