如月雨露想要交女朋友，为此他装出迟钝且纯情的形象以求追寻的对象能喜欢上自己，但他的计划却宣告失败，而唯一对雨露有兴趣的反而是他最讨厌的对象三色院堇子。

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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。

在一之濑学园，家境清寒的优秀高中生唯我成幸，为了获得免缴学费的大学“特别VIP推荐资格”，必须要辅导三位女同学考上与她们不擅长的科目领域的志愿学校。古桥文乃是文科天才，但不擅长理科；绪方理珠是理科天才，但不擅长文科；武元润香是运动健将，但她不擅长其它学科，特别对英文感到恐惧。唯我成幸在教导三人的过程中逐渐与她们产生恋爱情愫。负责督促他们的教师桐须真冬过去是花式滑冰选手，她认为文乃和理珠应该选择与自己才能相符的科系，而不是与兴趣相符的科系，以免重蹈自己年轻时的覆辙；唯我成幸还在补习班遇见重考生小美浪亚澄，她志愿考上国立大学医科。

作品有五个结局，决定结局的情节是一之濑学园的文化祭，有一个关于文化祭的“魔咒”，在第一发烟火绽放时，于文化祭的后夜祭里，触碰到彼此的两人将成为情侣。而在后夜祭的剧情中，成幸和某个人牵起了手，但对方的身分并未公开。在这五个结局中，成幸分别和五位女主角中的其中一位结为连理，而这个对象便是当初在后夜祭上与他牵手的人。此外还有第六个较短的结局，该结局提到这个魔咒是成幸已故的父亲在年轻时造成的。

作者于单行本后记表示，不会明确说出哪一个故事才是真正的结局，而是交给读者的决定，并表示即使某个结局的其它女主角们没有和成幸在一起，也依然幸福且各有成就。

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