Mikoto Misaka dan teman-temannya kembali, menyelidiki rumor di Academy City. Segera, Mikoto menemukan sesuatu yang mengerikan: eksperimen mengerikan sedang berlangsung di seluruh kota, yang melibatkan pembunuhan ribuan esper. Selain itu, esper ini jauh dari sekadar orang biasa: mereka adalah klon 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 mendapati dirinya menghadapi beberapa esper paling kuat yang bisa dibayangkan. Tou Kagaku no Railgun S melanjutkan kisah Railgun saat dia mati-matian berjuang untuk mengakhiri kejahatan itu. Eksperimen yang dia yakini dia sebabkan, hidupnya terseret dalam keputusasaan dalam proses itu. Tidak pernah ada momen yang membosankan di Academy City, tetapi tidak ada yang pernah mengatakan bahwa semuanya akan menyenangkan.