上条当麻是学园都市的一名高中生。在这座位于东京都西部的封闭都市中，学生占到了总人口的八成，“超能力开发”被列为绝大多数学生的必修课，在Level 0到Level 5的等级排名上相互竞争。不幸地，上条当麻被评定为无能力者；但他的右手有着能将一切异能消除的不明力量，他本人称其为“幻想杀手”。似乎是连同神的祝福一同抹杀的关系，他每天都过着不幸的生活。
暑假的一天，在宿舍的阳台上，上条当麻遇见了一位挂在阳台栏杆上的修女。她自称“禁书目录Index”，脑海中装有十万三千册“魔道书”，正在从不为人所知的“魔法”世界逃亡。就这样，上条一脚踏进了魔法与科学的纷争。
本作的世界观以现实世界为蓝本，但并未说明详细历史时期，大致可以推测故事发生在虚构的近未来[d]。其历史与现实世界有共通点（如前两次世界大战、冷战等；亚雷斯塔更是现实中存在的人物），但也有显著的差异。
学园都市是科学势力的大本营，同时也是本作的主要舞台。位于日本东京西部，居住着230万人口，其中八成人口是学生，而这些学生大都是超能力开发的实验对象。学园都市具有领先世界20-30年的科技实力，掌握着多种近未来高科技兵器，并公开地培养超能力者；事实上是由统括理事会所主导的、严格封闭的国中之国。
而魔法势力则较为分散，主要由名目繁多的宗教组织和魔法结社构成，也有不属于任何组织的魔法师存在。教会势力中，十字教有三大主要教派：英国清教、罗马正教和俄罗斯正教（分别以英国圣公会、天主教和东正教为原型）；而魔法结社则包括以黄金黎明为源头的黄金系结社、依靠北欧神话理论的“捣蛋鬼”，阿兹特克系的“有翼者的归来”等。魔法势力之间常会出于各自不同的目的互相斗争，魔法师出于个人信念私自行动的现象也广泛存在。
在魔法势力与科学势力之外，尚有两不从属的一般组织与国家，如美国；作品中也出现了许多虚构的政权，除学园都市外，还有“伊莉沙里纳独立国同盟”、“巴格吉城”等。
本作中，除“现实世界”之外，尚存在更高等级的、无法以一般手段探知的其他次元的“位相”；神、魔神、天使、妖精、无法以语言名状的高等级存在[e]，也均在作品中有所提及。
四月十日。春假在昨天结束，今天早上就是所谓的开学日。五河士道被可爱的妹妹琴里吵醒后，原本以为今天也会如同往常般度过平凡的一天;直到他遇见一名被称为“精灵”的少女，伴随着一阵突如其来的冲击波，街道就这样消失得无影无踪。在宛如陨石撞击而变成环形山的街道一隅，一名少女正站在坑洞的正中央。“你也是来杀我的吧?”摧毁世界的灾难、充满谜团的怪物、被世界否定的少女。阻止这一切的方法只有两种：歼灭或对话。身穿军服的琴里对士道说：“所以你必须与精灵约会，并且让对方迷恋上你!”新世代“Boy Meet Girls”故事，隆重登场!
精灵(精霊(せいれい))
在与这个世界相异的邻界存在着神秘的生命体。关于其产生的原因与存在的意义至今仍被谜团所包覆，并且在战斗上拥有强大的能力，而当之出现在这边的世界之际，会引起被称为空间震的大爆炸，人类便将这些引发特殊灾害的特定生命体，当成是天敌般的存在并畏惧著。
精灵的外貌性格各不相同，但共同的特点是，都具有强大的战斗能力。其战斗力来自每人独有的被称为“灵装”的力量服装，以及被称为“天使”的独有武器。小说中借用了卡巴拉(生命树)的概念，生命树的十大要素质点与精灵一一对应，精灵名字中的数字为质点编号，天使名为质点守护天使名，灵装名为质点神名。目前得知的精灵除威斯考特外皆为女性，且外表皆为年轻少女，实际年龄不明。
根据二亚所言，所有精灵原本可能皆是人类。而从澪口中证实，除十香外，其他精灵均为吸收灵魂结晶的人类。在三大“罪人”艾略特·伍德曼、艾萨克·威斯考特、艾莲·梅瑟斯的不明目的下，创造出了第一个精灵。变成精灵后，身体将不会再成长，不过被封印的精灵能够正常的成长。
空间震(空間震)
当存在于邻界的精灵现界时，会造成空间的剧烈摇晃及造成损坏的大爆炸，空间震即此一状况之统称。在爆炸中心的建筑物及地面设施都会像火山口一样被消灭殆尽，而周围也会因为爆炸的产生而蒙受损坏。最初一次空间震发生于30年前，造成了近1亿5000万人的死伤人数，被称为“欧亚大空灾”(ユーラシア大空災)，其后世界各地皆频繁发生此一现象。而在那之后的六个月──南关东大空灾之后就像平息似的，不再发生空间震。但是在5年前，在士道他们所居住的天宫地区又开使发生此一灾害。在爆炸“余震”到来以前，会发生名为“空间的地震”此一征兆现象，就如把石头丢入水中会有涟漪，涟漪就是空间震。
一般人并不清楚造成此一现象的原因，知晓此现象的仅有以对付精灵为目的的AST、SSS及DEM公司与以保护精灵为目的的〈拉塔托斯克〉Ratatosk。另外也有精灵现界但却没有发生空间震的情况，造成此一现象的依然成谜。
再者，也存在着依据精灵自身的意识所引发的空间震，当引发的空间震的规模与另一空间震相同时则可以被相抵销。
现界、消失(現界、消失(ロスト))
当平常在另一个相邻的世界休眠的精灵出现在人类世界的情况被称之为“现界”，而当精灵从人类世界返回相邻的世界实则谓之“消失”〈LOST〉。在邻界休眠的精灵由于不知名的原因被人类世界“拉扯过来”伴随着“现界”的现象引发而产生空间震，经过一定的时间后再“消失”返回邻界。发生这样的现象不仅无关精灵本身的意志，而且精灵也不知道产生的原因。而“现界”的情况又依据空间震的产生有无而划分定义为2种，其前者(有产生空间震)的情况被称之为“通常现界”，而后者则称为“静穆现界”，但同样无法得知产生现界差异的原因。
通常现界后的精灵，必定会遭遇AST的袭击。也不知是否有与此有关，在与AST有交战的状况下，与本人意志无关的“消失”现象会发生在较短的时间内，当“消失”现象产生，AST的该次精灵讨伐作战行动旋即告终。但是，也有不被AST观测到的静穆现界的精灵，一如作品中所述，能长时间内停留在人类世界。十香第一次的静穆现界发生时遭到AST的攻击，再加上被激怒之故(其深信士道已遭杀害)，而将AST逼至全员歼灭绝境，该事件最终并没有“消失”的现象。
被士道封印力量的精灵无法从人类世界“消失”返回。