"A Certain Scientific Railgun" spielt in der futuristischen Stadt Academy City, einem Ort, der für seine fortgeschrittene Technologie und die Erforschung übernatürlicher Fähigkeiten bekannt ist. Die Handlung konzentriert sich auf Mikoto Misaka, eine der stärksten Esper der Stadt, die über die Fähigkeit verfügt, Elektrizität zu manipulieren. Mikoto, auch bekannt als "Railgun", ist eine Schülerin der Tokiwadai Middle School und wird oft von ihrer besten Freundin Kuroko Shirai begleitet, die ebenfalls ein Esper mit teleportativen Fähigkeiten ist.

Die Serie beginnt mit alltäglichen Abenteuern der beiden Freundinnen, die sich oft in kleinere Konflikte und Auseinandersetzungen verwickeln. Dabei treffen sie auf andere Charaktere wie Kazari Uiharu und Ruiko Saten, die ebenfalls Schülerinnen in Academy City sind. Uiharu ist eine technisch begabte Schülerin, die oft bei der Lösung von Problemen hilft, während Saten eine neugierige und lebhafte Persönlichkeit ist, die sich für urbane Legenden und übernatürliche Phänomene interessiert.

Im Laufe der Serie werden die Charaktere in größere und komplexere Handlungsstränge verwickelt. Ein zentraler Konflikt dreht sich um das "Level 6 Shift Project", ein geheimes Experiment, das darauf abzielt, einen Esper auf die höchste Stufe der Fähigkeiten zu bringen. Mikoto erfährt, dass Klone von ihr, die sogenannten "Sisters", für dieses Experiment verwendet werden, was sie dazu veranlasst, gegen die Verantwortlichen vorzugehen. Diese Handlung führt zu intensiven Auseinandersetzungen und moralischen Dilemmata, die Mikotos Entschlossenheit und ihre Beziehungen zu ihren Freunden auf die Probe stellen.

Neben diesem Hauptplot gibt es mehrere Nebenhandlungen, die sich mit den alltäglichen Herausforderungen und Abenteuern der Charaktere befassen. Diese reichen von der Bekämpfung von Kriminellen, die Academy City bedrohen, bis hin zur Erforschung der sozialen Hierarchien und der ethischen Fragen, die mit der Erforschung von Esper-Fähigkeiten verbunden sind.

Die Serie verbindet Action, Science-Fiction und Drama mit einer Prise Humor und Freundschaftsgeschichten. Die Charaktere entwickeln sich im Laufe der Serie weiter, und ihre Beziehungen zueinander werden vertieft. "A Certain Scientific Railgun" bietet eine Mischung aus spannenden Kämpfen, emotionalen Momenten und einer detaillierten Welt, die von den komplexen Regeln und Technologien von Academy City geprägt ist.