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。

由于违逆神的“傲慢”之罪，大天使路西法被打入地狱，成为了“堕天使”。不止如此，在地狱的最下层“万魔殿”，统治地狱的魔王们封印了路西法的力量。路西法虽然失去一切，但她带领着仰慕她的嫉妒之魔王利维坦以及在地面上遇到的女高中生十束真莉亚，化作“傲慢之魔王路西法”展开了向七魔王发起反击的旅程。美艳的魔王她们带来的，围绕着“七大罪”的默示录就此开幕。

故事发生在一个以木造房屋与石板路为特色的小镇。来到小镇就读高中的心爱，在寻找预定的寄宿家庭时偶然进入了一间咖啡店“Rabbit House”，遇到娇小的少女智乃以及毛茸茸的安哥拉兔提比，问询之下发现这就是她要寄宿的家庭。心爱的高中规定学生必须在寄宿家庭工作，因此心爱成为了Rabbit House的店员。心爱将智乃视为自己的妹妹一样疼爱。与心爱同在Rabbit House打工的理世出身自军人世家，有军人气质，身边总是带着模型枪。心爱的同学千夜出身自和风咖啡店“甘兔庵”，带有日式气息，喜欢帮新研发的和菓子取名字。心爱一行人在小镇的店家挑选杯子时遇到了优等生纱路，她是理世小一届的学妹，害羞又别扭，不管做什么事情都带有大小姐的气质，却住在破破旧旧的家。以五名少女为中心的日常轻喜剧就此展开。

作品中的小镇参考斯特拉斯堡、科尔马、蒙马特、里屈埃维和埃吉桑等法国城镇。电视动画第一期第8集出现的温泉泳池场景则是参考匈牙利布达佩斯塞切尼温泉浴场。