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故事发生在面积占据东京都的三分之一，居住着230万名人口且其中八成人口是学生的巨大都市“学园都市”。学园都市的学生均会接受超能力开发，借由药物、催眠术与通电刺激等方式取得超能力。能力者以范围和威力分为无能力者Level 0至超能力者Level 5。
主角御坂美琴是学园都市中仅七位超能力者Level 5的其中一人，排行第三。她是拥有操纵电击能力的“电击使”，因其特有的绝招(将硬币以音速的3倍的初始速度发射)“超电磁炮Railgun”而得名。
本作通过美琴的视角来描绘学园都市的平常而不平凡的日常生活，也叙述学园都市秘密进行非人道性质的实验，从而使大家对于本作及本篇《魔法禁书目录》的背景(世界观中科学侧)的认识慢慢变得清楚。
在地球爆发“纳米危机”大部分生态被摧毁后，98%的人类舍弃肉身，将自己人格数据化迁往部署在地月系L1点的太空站“迪瓦（Deva）”的虚拟数据空间中生活。公元2400年一股名为“弗隆提亚·赛格（Frontier Setter）”的力量不断骇入“迪瓦”，并广播寻求自愿参加宇宙移民的成员，“迪瓦”高层认为来源是来自地球地面上，所以派遣特工“安吉拉·巴尔扎克（Angela Balzac）”使用重新生成的肉体素体（Material Body）返回地面。和地面协助人员“丁格（Dingo）”寻找并摧毁其。安吉拉和丁格汇合后，在不断的追寻中发现该力量并非原先所想的简单，并且也改变了对自己所处的世界和地面人的世界的态度……
本作用语
迪瓦（ディーヴァ，Deva）
建立在地月系L1的太空站群内的电脑虚拟世界，由于地球生态被摧毁，98%的人类舍弃肉身将人格数据化后迁往上面生活。高层认为这是人类的乐园，但实际上数据人格所拥有的储存空间依然按照贡献来获得相应份额，如果毫无贡献或者不符合迪瓦准则的人格会被终止并压缩封存。
实际上和边境重设计划是相辅相成又相互对立的人类生存计划，但迪瓦方面已经放弃边境重设的可能性而安于现状，甚至视对方为威胁。
Genesis Ark号（ジェネシスアーク号，Genesis Ark）
边境重设计划中所建造的用于深空人类探索和殖民的远征太空船，全长1200米，由部署在地月系L3点的机器人群建造，而所需的建造管理系统核心和运行反应堆则在地球上建造并由地球遗留的大功率运输火箭运送后完成组装。
边境重设（Frontier Setter）
实际上弗隆提亚·赛格所执行的真实计划，在纳米危机前人类所设立避免灭绝探索可生存空间的计划之一，与建造迪瓦的计划处于竞争关系，其目标是在太空建立远航船对猎户座旋臂内可能适合人类居住的行星进行探索，然而在大部分人类从地表消失后计划被废弃但负责建造的机器人和管理AI仍然在继续执行原定计划，由于资源不足建造太空船的机器人被迫取消了原本可乘坐上百人的维生系统，使得迪瓦上的数据化人类成为唯一可能搭乘的乘客。由于建造管理系统AI认为迪瓦高层不会抱该计划任何可能性而选择直接入侵向市民征集乘客。最终迪瓦的反对和安吉拉的决定，执行计划的AI决定独自离开完成计划。
Arhan（アーハン，声：安济知佳）
迪瓦给派遣人员的机甲武装，收纳时为球形，展开时为近似人形，拥有各种强力武装，但需要保持和迪瓦的数据连线，断线后被形容为只是废铁。
沙虫（サンドワーム）
于沙漠生息的巨型肉食性多足猛兽，威胁等级为B＋，头部是其弱点，其肉可供食用。
素体（マテリアルボディ，Material Body）
即物质的身体，是为在地上真实世界行动用而以人出生时之基因克隆出的身体。于任务完成后，躯体会收到端粒缩短的命令，此后便可将躯体处置。
纳米危机（ナノハザード）
故事中发生在100多年前导致地球生态摧毁的大灾难。
警卫机器人（セントリーロボット，Sentry Robot）
奈米危机发生前之时代使用的警卫机器人。
真历71年，总人口的70%均居住在宇宙，此时代的世界并存着两大势力——由军事同盟发展而来的多尔西亚军事盟约联邦，与因贸易协定而扩大的环大西洋合众国(ARUS)。故事主角时缟遥人所在的中立小国吉奥尔也遭到了多尔西亚军的侵略。正当他和咲森学园的一众同学，都认定只能默默等待败亡之时，遥人与埋藏在地底的神秘人型兵器“Valvrave”相遇。一场影响世界的革命，亦随着这部夺去年轻生命的机体开始酝酿……
机体解说
由“机关”组织所开发的人型兵器。在中立国吉奥尔的“Module77”内进行开发工作，I号机藏于咲森学园的泳池的地下，而III号至VI号机则藏于更深的地下作保管。未认证启动前的Valvrave是白色机壳，认证后机壳像是染色似地由白变黑。
系统第一次启动时，驾驶舱内位于中央的屏幕会出现一问题，询问驾驶员“是否舍弃人类之身?(ニンゲンヤメマスカ?)”
200年后，系统的启动问题改为“是否相信人类?”，估计应是Module77夺还战结束后改变。
在系统第一次启动时只有1号机的中央屏幕会有一女性的图像伴随问题出现(即Pino)，估计因为只有1号机是利用Pino作动力能源。
选择“是”后，屏幕会显示出一段的免责协议，但内容有一半是无视驾驶员的人权，内容如下：
登录注册(机体型号)时(以下以本机自称)，若未完成操控机体的全部课程，则无法保证非合格者的人身安全。
登录本机的行为将被视为驾驶员的个人判断。若发生预计之外的身体变化问题，机关对此不负任何责任。
本机的登录认证完成后，驾驶员无权拒绝机关发出的任何命令。
本机的操作数据，以及驾驶员的生体数据，须全部提交至机关。
原则上，完成登录认证的驾驶员的生死予夺权利将归机关所有。
上述免责协议显示后，驾驶员的生体数据会被解析，然后系统会进行合资格者(魔使，咲森学园的学生则是登机后被注射药物成为魔使)的判别，如非合资格者(普通人类)则会被系统抹杀。
Valvrave的共通基本装备：头部机关炮(バリアブル・バルカン)、手部光束护盾炮(ハンド・レイ)、可折式镰刀(フォルド・シックル)。
世界观、历史
真历(真暦(しんれき))
本作中的纪年方式。第二次月球战争结束，宁静海协定签署，并且月球成为中立地带之后开始采用。基于戴森球技术的大发展，地球上超过7成的人口已经移民宇宙。
第三银河帝国历(第三銀河帝国暦(だいさんぎんがていこくれき))
本作中的纪年方式。故事开始的二百年后时使用的年号，最少存在了214年。
真历71年即是第三银河帝国历元年。
戴森球(ダイソンスフィア)
遥人等人居住的宇宙殖民地。模仿小型的戴森球，中央有一个漂浮的人工太阳，并在人工太阳周边设置一些块状的生活空间。
新几内亚条约(ニューギニア条約)
第3话和第12话中提到的国际公约，在新几内亚纷争后缔结。内容涉及对俘虏的审讯和禁止使用毒气。
新几内亚纷争(ニューギニア紛争)
真历69年发生的武装冲突，多尔西亚与ARUS均有参与。第23话中阿德莱伊提到新几内亚纷争中艾尔埃尔夫曾伪装成ARUS的伤员潜入ARUS的部队。第3话提到艾尔埃尔夫曾一人将ARUS的一支5000人的旅团打得寸步难行而被ARUS称为“单人旅团”。
红色星期四(赤い木曜日(あかいもくようび))
多尔西亚发生的军事政变惨剧，由多尔西亚现任总统阿玛迪斯领军推翻王室近千年的统治，建立总统制。
事件中亦涉及魔使的参与。