佐天泪子和初春饰利被不良少年骚扰，及时赶来的御坂美琴和白井黑子为她们解了围。作为学园都市里仅有的七个 Level 5 的超能力者之一，美琴一直是大家仰慕的对象。这一天美琴和另一位 Level 5 的食蜂在图书馆发生了冲突，随后美琴等人在医院探病时遇到了匪徒袭击事件，春上被匪徒劫持作为人质，美琴和黑子赶在匪徒逃跑之前将其全部制伏。

美琴和黑子一同去购物，在去购物商场的路上黑子带着美琴抄了近道。两人却在狭窄的小巷子里遇到了许多寻找东西的行人，原来附近出现了在偏僻地方可以捡到现金卡的传言。为了调查这一事件，当晚美琴跟随一伙不良少年进入了可疑现金卡的来源地大楼。不良少年在大楼内被神秘少女用诡异的能力全灭后，美琴出现在了神秘少女面前。

学园都市里又出现了多起目击类似美琴的人出现的事件，类似的传言逐渐的多了起来。美琴从神秘少女处得知了她发放现金卡的目的是为了破坏正在进行的神秘计划，同时想起来了年幼时曾经在医院捐献过 DNA 的事情。当晚，换装后美琴潜入了制药公司调查，在这里她发现了秘密的超电磁炮克隆计划，就在她即将离开时她的克隆体也来到了这里。

认为自己调查清楚真相后的美琴心情很好，和初春、黑子、佐天等人一同外出购物，几个人聊天时又谈论到了克隆 Level 5 的传言。与此同时，秘密实验室中的御坂妹妹们仍然在被批量生产着。次日美琴在公园陪小朋友们玩了一天之后，她却突然感觉到了与自己类似的力量，顺着感应一路追寻而来的她终于见到了自己的克隆体。

美琴见到克隆体后和克隆体一同救下了树上的小猫。为了套出克隆体知道的秘密计划，美琴一路跟踪着她。当晚克隆体去做实验时美琴离开了，美琴通过初春翻译出了从克隆体处得到的密码。另外一边御坂妹妹和一方通行开始了战斗，美琴得知了真相后赶到了战斗结束的场地，目睹了一方通行杀死御坂妹妹后，她愤怒的向一方通行发动了攻击。

美琴对一方通行发动了攻击，充满愤怒的她利用磁力召唤了地底的铁砂对对方进行攻击，但是一方通行利用自己的能力毫发无伤。御坂妹妹们随后到来阻止了两人的战斗，失望的美琴之后从布束口中得到了更多关于秘密计划的情报。随后美琴决定继续进行调查并找出真正的幕后主使人，为了不牵连别人，她决定独自一人开始行动。

在美琴的调查下，DNA 树图的数座研究机构同时遭到了袭击。消灭掉七成的目标后终于引起了敌人的警觉，美琴决定独自潜入研究机构，为了阻止御坂妹妹的实验美琴给自己了很大压力。黑子因为美琴不愿意告诉她原因而感到失望，也决定开始调查。此时，研究所的敌人已经知道了美琴的入侵计划，并准备针对她展开行动。

遭受了惨重的损失之后，制药公司雇佣了麦野沉利和她的团队“道具”防御美琴的攻击。“道具”兵分两路进行防御，当晚美琴在入侵研究所的时候果然遇到了炸弹少女的袭击。与此同时布束也来到了另一处研究所内进行交涉进行自己的计划，一番战斗之后美琴将对方逼入了绝境，但却被对方使用诡计击伤，最终美琴俘虏了敌人但却被对方的援军拦截住。

美琴将芙兰达制服后被随后赶来的麦野沉利拦截住，此时布束正在进行着自己的秘密计划。美琴与麦野开始对战，因为对方人多势众，美琴先一步离开了战场，但却被泷壶捕捉住了自己的位置。同时布束将人类感情程序输入到了御坂妹妹的信息中，希望能够改变着一切，她自己也因此被捉住，麦野随后独自前往设施内部对战美琴。

美琴沿着设施内芙兰达布置的炸弹胶带捡到了很多娃娃炸弹。随后两人在设施中心见了面，美琴利用炸弹和麦野周旋，利用炸弹美琴暂时摆脱了麦野。来到了数据库的房间进行破坏，回到设施中心的美琴被麦野偷袭。之后的逃跑中美琴被麦野一路追杀，最终在天井房成功的将麦野击落。次日美琴签入了最后一处研究中心却发现这里已经人去楼空，美琴以为这一切都已经结束了。

美琴在公园见到了曾经有一面之缘的当麻。两个人围绕着自动贩卖机开始了讨论，美琴对于当麻不怕她的电能力而愤愤不平。另外一边黑子还在等待着美琴的归来，就看到了两人在长椅上，误以为两人正在约会。此时一名御坂妹妹来到了公园，美琴将御坂妹妹带走后得知秘密计划仍然在进行中。为了彻底解救御坂妹妹并破坏这个计划，美琴逐渐的有了牺牲自己的觉悟。

当晚御坂妹妹 10031 号和一方通行开始了对战，当麻从便利店出来却发现不见了御坂妹妹的踪影。与此同时，美琴因为没能破坏树形图设计者而十分沮丧，随后潜入了宇宙中心的研究大楼并开始大肆破坏。当麻一路追寻在小巷子里发现了御坂妹妹丢下的鞋，随后一路追踪而去，可惜没有及时赶上救下御坂妹妹，但同时当麻也发现了御坂妹妹的事实。

当麻来到了女生宿舍找美琴，为了套当麻的话，黑子把他放进了宿舍。在宿舍里他向黑子询问了美琴的事，并发现了御坂妹妹们的神秘计划书。为了拯救御坂妹妹 10032 号，他照着计划书来到了对应的地点。在大桥上他遇到了美琴，因为担心美琴的安危，并试图阻止美琴的危险行为，最后当麻说服了美琴让他自己去解救御坂妹妹们。

当麻为了解救御坂妹妹，争分夺秒的赶往实验地点。此时御坂妹妹已经被一方通行打败，千钧一发之际当麻赶到了现场。看到了受伤的御坂妹妹后愤怒的当麻向一方通行发起了攻击，与此同时美琴也在向着战场赶来。当麻一开始被一方通行压制而无还手之力，但是当麻神奇的无效化能力特性却正好克制了他。最终美琴在御坂妹妹们和当麻的帮助下终于能够和一方通行正面交战。

御坂妹妹们合力破坏了一方通行的绝招，美琴为了保护预御坂妹妹们和一方通行开始了战斗，倒下的当麻也在此时也站了起来。在当麻的特殊能力之下一方通行终于被打倒了。第二天，美琴和御坂妹妹在医院探访了受重伤的当麻。御坂妹妹们的去向仍然是个问题，美琴向当麻道了谢，随后美琴便跟随黑子回到了宿舍。

美琴和黑子为了参加课外学习会向宿管申请了外出时间，之后两人在佐天家的厨房里准备了食物。白天，美琴从冥土追魂处了解到了御坂妹妹们的身体状况信息，得知御坂妹妹们将被送往学园都市外进行治疗。当晚，美琴和黑子等人在居所举行了热闹的火锅派对和学习交流会，大家一起度过了一个美好的夜晚。

暗部组织“道具”受命阻止军火买卖，却之遭受到神秘的袭击。另一方面，枝先重于赶在开学前出院，众人一起到蛋糕店庆祝，春上也表明将会搬离初春的住处，成为枝先的室友陪伴她。聚会结束后，佐天带着众人走捷径回家，却在暗巷发现一个昏迷的小女孩。

名为菲布理的小女孩，暂时收容在泪子家。初春查询的资料库，发现她并非名录或走失的儿童，因此众人认为她是“弃童”，并且在安排送进托育所之前继续帮忙照顾。黑子与初春来到学究会会场开会，泪子也带着菲布理闲逛，菲布理却在一个不注意的时候失踪。

场勘结束，固法邀大家一起上澡堂，美琴和菲布理也重于相处融洽。回城时，众人遇到施工告示，被迫绕路的途中进入一座废弃工厂，却遭受驱动铠袭击。美琴成功打倒驱动铠，菲布理却不知为何身体不适倒下。

菲布理是人造物体。美琴从青蛙脸医生口中得知惊人的事实。菲布理出院时，美琴遇见在同一间医院疗养的御坂妹，得知菲布理可能和布束有关。美琴原本打算和之前一样单独调查，但听过婚后的一席话，决定向朋友们说出事实，同心协力拯救菲布理。

美琴和昔日对手泰列丝缇娜见面了！在美琴的坚持之下，泰列丝缇娜终于透露些许情报，众人也同心协力查出 STUDY corporation 这间公司很可疑。为了找出相关人员直接问情报，美琴甚至冒险潜入该公司的相关工厂，而且在那里遇见意料之外的人？

被捕的美琴，从当事人有富口中得知“chemicaloid 计划”，并且在朋友的协助之下脱离困境。依照各方收集的情报，确定对方将在学究会当天，由菲布理的姐姐珍妮操纵两万具驱动铠甲，发动一场恐怖攻击。

风纪委员吸引两万具驱动铠的注意力，美琴和菲布理深入敌阵核心。菲布理剩下最后一颗糖了，而会使用“原子崩坏”的机器人就挡在面前，让整座学园都市也顿时陷入毁灭之境，所有危机，一触即发，众人将如何克服最后的难关？