刚升上高中一年级的浅草绿，是个强调“设定即生命”的动画迷。虽然在素描本上描绘了各种各样的创想，却因独自行动就无法下决心的个性，而迟迟未能开始制作动画。同时，身为人气读者模特儿，被父母期待成为演员的同级生水崎燕，其实志愿成为动画师。拥有制片人气质的金森沙耶加，很快注意到了两位同级生的才能。三人为了展现脑内的“最强世界”，共同创立了新社团“映像研究同好会”，简称映像研。为了让映像研顺利成立，故事由此展开……。

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学业优秀、正在备考高中入学考试的由崎星空，在一个雪夜中偶遇在街对面小憩的少女月读司，并对她一见钟情。正当星空跨过街道打算向司搭讪时，迎面却驶来了一辆卡车。幸得司舍身相救，星空得以保住性命，但司却没有留下名字便转头离去。害怕司会像辉夜姬一样就此和自己永别的星空，不顾身上的重伤起身奋力追赶司，并对其告白。司告诉星空“如果你愿意和我结婚，那我就跟你交往”，星空当即答应，随后昏倒在地。

之后，在病房里苏醒的星空，每日都在进行复健和念书，在重读一年中三后在高中入学考试中夺得榜首。但对司念念不忘的星空放弃入学，心怀与司重逢的期望搬出父母家开始了独自生活，每天都全身心投入到各类打工中，但工作数年却依然未能找到司。在星空满18岁那年的某天晚上，司突然造访星空的住处，来意正是要兑现在那个雪夜中与星空的承诺。星空虽然对此感到一头雾水，但仍然与司办理了结婚登记，互不了解的两人，在婚后的共同生活中感情日渐加深。

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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。