苏瓦尔王国(法语：Duché de Savoie、意大利语：Ducato di Savoia)是个虚构的欧洲国家。与法国、意大利、瑞士邻接，通用语是法语。首都为苏瓦伦，国土虽然小但是却很丰饶，在第一次世界大战中参加协约国而获得胜利，有“小巨人”的赞称。有一间位于阿尔卑斯山山脚的学校，名为圣玛格丽特学园，那是一间拥有悠久庄严历史、专门培育贵族子分的、在王国享负盛名的门学校。由于一直收藏着不能对外界公布的人或研究，和该国家的黑暗历史，故有“王室的秘密武器库”的说法。原本只允许苏瓦尔贵族子弟就读，但世界大战结束后也允许从盟国来的优秀留学生就读。

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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。

高中2年级生的真夏大地，在8岁时父亲因太空事故而死亡以后便离开了种子岛，在东京的兰月高中展开生活，但在暑假开始前的一晚，在电视机里目睹了种子岛上空突如其来的出现的不可思议“圆形彩虹”。于是怀着激动而紧张的心情，大地一个人前往种子岛一探究竟。

造成父亲死亡的事故之谜、小时候与奇怪的少女邂逅的记忆……这些复杂的回忆在大地到达岛上后涌上心头，在某个设施发出的轰鸣警报声中，他与“Earth Engine”相遇了——为了与从天王星而来的侵略者对抗，在这满天星辰闪耀之际，少年的战斗从此拉开了帷幕。