東京西部に位置する巨大な『学園都市』。 総人口230万人を数え、その約８割を学生が占めるこの都市では、超能力開発のための特殊なカリキュラムが実施され、学生たちの能力は『無能力（レベル０）』から『超能力（レベル５）』までの六段階で評価されていた。
とある高校生・上条当麻も、学園都市に住む学生のひとり。 彼は自分の右手に宿る力――異能の力なら神の加護すら打ち消す『幻想殺し』のため、落第寸前の『無能力』の評価を受け、不幸まっしぐらの人生を送っていた。
そんな上条の学生生活は、夏休みのはじめに空から降ってきた純白のシスターによって、大きく変わってしまう。 「魔術」の世界から逃げてきたという彼女――『禁書目録』との出会いに始まって、さまざまな事件に巻き込まれていく上条。
学園都市を統べる「科学」サイド、インデックスに連なる「魔術」サイド双方の事件を綱渡りで解決していくうちに、少しずつ人の輪を広げていくことに。そして、ついには魔術サイド、十字教最大宗派のローマ正教が、上条の存在に目を向けることになってしまう……。
魔術サイドに呼応するように、科学サイドたる学園都市も動きだす。しかし、にわかに対立を見せ始めた世界の動きに抗うように、立ち上がる者たちがいた。 上条とかかわったことで、大きく運命を変えた『ヒーロー』たち。
彼らもまた、身を挺して世界と対峙する。上条当麻がそうしてきたように。
科学と魔術が三度交わるとき、物語は大きく動き出す！！

原作：鎌池和馬（電撃文庫刊）
キャラクター原案：はいむらきよたか
監督：錦織 博
シリーズ構成：吉野弘幸
キャラクターデザイン：田中雄一
美術監督：黒田友範
色彩設計：中村真衣、安藤智美
撮影監督：福世晋吾
編集：西山 茂（REAL-T）
音響監督：山口貴之
音楽：井内舞子
OPアーティスト：黒崎真音
EDアーティスト：井口裕香
アニメーション制作：J.C.STAFF

上条当麻：阿部 敦
インデックス：井口裕香
御坂美琴：佐藤利奈
アクセラレータ：岡本信彦
浜面仕上：日野 聡