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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故事背景为一场史无前例的大灾害彻底摧毁了现代文明并且已经过去了十五年。故事使用双线描述，其中一支为一群孩子被圈养在某个封闭设施中，他们被告知外面世界充满各种怪物，一天时男收到一条消息询问他是否想到设施外面，而和他亲密的弥美姬则预言到外面会有两个人到来救她出去，而且其中一个人和时男样貌相同;另一支则是在外面荒废的世界，贵留子受委托作为保镖，带着小丸前去一个名为“天国”的地方。

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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。