西暦2095年──魔法が現実の技術として確立し、魔法師の育成が国策となった時代。国立魔法大学付属第一高校に対照的な兄妹が入学した。主席入学を果たした司波深雪は成績優秀な一科生、『優等生』として。ある欠陥を抱えた兄の司波達也は二科生、『劣等生』として。入学直後から、才能容姿ともに完璧な深雪には多くの取り巻きができるが、深雪が心から慕うのは達也のみ。そのせいで達也は一科生から敵視されるようになり……。
深雪を巡る対立は、達也の機転で大事にならずにすんだものの、一科生と二科生の間に横たわる差別意識を浮き上がらせる結果となった。翌日、生徒会長の七草真由美から生徒会に勧誘された深雪は、入試のペーパーテストで一位を取った達也こそ役員にふさわしいと提案する。しかし、生徒会役員は一科生から選ぶという規則があり、深雪の願いはかなえられない。すると、風紀委員長の渡辺摩利が達也をスカウトすると言い出す。
生徒会副会長の服部刑部との模擬戦に勝ったことで、達也の実力が証明され、風紀委員会入りが決定した。二科生が風紀委員になるのは前代未聞であり、今後起こるであろう各方面からの反発を予想し、さすがに気が重くなる達也。しかし、服部を倒した実績は実力主義者である風紀委員の多くから認められ、歓迎される。それから間もなくして、風紀委員会にとって最初の山場となる新入生部員勧誘週間がやってきた。
部員勧誘演武の場で、剣道部の壬生紗耶香と剣道部の桐原武明が衝突。エース同士の争いは両部の乱闘にまで発展したものの、達也がケガ人を出すことなく騒動を収めた。達也の活躍はすぐに広まり、有名になると同時に何者かによる嫌がらせを受けるようになる。ようやく勧誘週間が終わった折、紗耶香から呼び出された達也は剣道部に勧誘される。丁重に、かつ即座に断った達也に対し、紗耶香は二科生の待遇への憤りを打ち明ける。
二科生の待遇改善を求める“学内の差別撤廃を目指す有志同盟”が放送室を占拠した。彼らは差別撤廃を求めるが、達也や部活連の会頭・十文字克人によって占拠は失敗。真由美から公開討論会を提案され、いったんは解散する。翌日、約束の討論会が開催された。差別ではなく、差別意識の克服を訴える真由美の主張に、生徒たちはみな拍手を送る。ところが、そこに同盟を陰で操る政治結社“ブランシュ”が奇襲をかけてきて……。
生徒会や風紀委員の活躍によって、ブランシュの襲撃は速やかに鎮圧されていく。敵の情報を得た達也は、深雪たちとともにブランシュが狙っているという図書館へ急ぐ。 同じころ、図書館にある特別閲覧室では、テロリストが魔法大学の所蔵する機密文献にハッキングを仕掛けていた。同盟のリーダーである司甲から、彼らの手引きを命じられた紗耶香。言いつけに従いながらも、明らかな犯罪行為を前に心中は複雑で……。
紗耶香は催眠術によって過去の記憶を改ざんされ、ブランシュに利用されていた。達也は自分と深雪の日常を損なおうとするものすべて駆除すべく、ブランシュを叩き潰そうとする。敵のアジトに向かう達也に、深雪、エリカ、レオ、十文字、そして紗耶香を利用されたことに憤る桐原まで同行するという。達也の指揮の下、アジトに乗り込む 一同。そこには武装したブランシュのメンバーとそのリーダー・司一が待ち構えていた。
全国の魔法大学付属高校が、年に一度スポーツ系の魔法を競い合う"九校戦"の時期が近づいてきた。エンジニアの人材不足に頭を悩ませていた真由美は、CADの知識に長け、調整もできるという達也に注目。エンジニアとして、二科生では初となる九校戦メンバーに推薦する。しかし、一科生の選手やエンジニアたちの一部から不満の声が上がったため、真由美はみんなの前で、達也の実力を証明しようと提案する。
エンジニアとして正式に九校戦メンバーに加わった達也。九校戦発足式が終わり、本格的に準備が始まると、深雪や光井ほのか、北山雫ら担当する選手たちとともに、CADの調整や訓練を開始する。九校戦に向けて校内が慌ただしくなる中、達也の同級生・ 柴田美月は、人気のない放課後の校舎で不自然な霊子放射光を見つける。気になった美月は、発生源の実験棟へ足を向けると、そこでは同級生の吉田幹比古が精霊魔法の訓練をしていて……。
九校戦の会場に向かう途中、対向車線を走る車がガード壁に激突。宙を舞って一高生の乗ったバスに突っ込んできた。慌てた一高生たちが無秩序に魔法を発動したせいで、サイオンの嵐が起き、まともに魔法が効果を発揮しなくなってしまう。それでも、達也のひそかな機転、十文字や深雪たちの活躍により、バスは被害をまぬがれた。特殊な知覚を有する達也は、車の動きに魔法の痕跡を発見し、事故は何者かが故意に仕掛けたものだと気づく。
校戦前夜、幹比古は生徒の宿舎に侵入した不審者を察知。精霊魔法で捕らえようと忍び寄るも、相手に気づかれてしまう。それでも達也の援護に助けられ、幹比古は侵入者の無力化に成功する。そこで、達也から術式に無駄があると指摘された幹比古は激しく動揺。吉田家が長年に渡って改良してきた技を、一度見ただけで理解したという達也に驚愕する。そして翌日、この一件は伏せられたまま九校戦の幕が上がる。
大会３日目、バトル・ボード準決勝に進出した摩利は、その第一試合で“海の七高”と呼ばれる強豪校と対決する。出だしからリードするが、鋭角コーナーにさしかかったところでアクシデントが発生。制御不能に陥って突っ込んできた七高選手を受け止めた摩利は、怪我を負って棄権を余儀なくされる。この事故が人為的なものだと推測した達也は、幹比古に協力を要請。摩利が巻き込まれた現象は精霊魔法で起こせると確認する。
達也が調整を担当した一年生女子選手が、スピードシューティングで一位から三位までを独占した。その中の一人、雫が使用した魔法は新種魔法と認められ、魔法の百科事典“インデックス”への記録が打診される。かつてない快挙に真由美たちは快哉するが、開発者の達也は迷わず辞退。雫を登録するよう勧める。一方、三高のエース・一条は、相棒の吉祥寺とともに、一高に多大な戦果をもたらしている謎のエンジニアに警戒を強め……。
吉祥寺と一条が、達也に宣戦布告をしてきた。彼らは新人戦のモノリス・コードに出場すると宣言して達也を挑発するが、そっけない態度で一蹴されてしまう。そんな幕間劇を挟みながら競技は進み、一高は首位を独走。新人戦ピラーズ・ブレイク決勝戦は、深雪対雫という一高生同士の戦いとなる。試合開始直後、深雪の放った“氷炎地獄”の熱波が雫のエリアを支配する。それでも雫は冷静に、達也から授けられた作戦を開始する。
一高対四高の新人戦モノリス・コードで一高選手全員が重傷を負った。運営委員会は四高に悪質なルール違反があると判定し、残りの試合を翌日に延期する。真由美に代わりの選手として指名された達也は、レオと幹比古をメンバーに加え、一晩でできる限りの準備を整える。翌日、障害物の多い森林ステージで一高対二高の試合が幕を開けた。達也の戦いぶりを観戦していた吉祥寺は、達也が繰り出した魔法に気づいて驚愕する。
モノリス・コードを勝ち進んだ達也たちは、一条率いる三高と激突。レオと幹比古は、達也が吉祥寺に対抗するため考案したデバイスを用いて善戦し、強豪校相手に激しい戦いを展開する。一方、達也は一条が次々と撃ち出す圧縮空気弾を、術式解体で打ち落としながら前進。体術も駆使してあとわずかの距離まで迫る。焦った一条は、レギュレーションを超えた威力をもつ圧縮空気弾を連射してしまう。
九校戦九日目、ミラージ・バット本戦第一試合は、一高の総合優勝がかかった大事な試合。ところが、一高選手の小早川が高所から転落してリタイアしてしまう。警戒して試合を観ていたという美月の話から、達也は事故の仕掛けを推察するが、運営委員会は事故と判断。九校戦は中断されず、深雪の試合の時が迫る。担当エンジニアの達也は、選手用CADのチェックを受けるべく、大会委員のテントに赴くが……。
深雪がミラージ・バットで優勝したことで、最終日を待たずして一高の総合優勝が確定する。真由美たちが一足早く勝利を祝う一方で、達也は横浜市内へと向かっていた。行き先は一連の事件を引き起こした国際犯罪シンジケート・無頭竜の拠点。日常では決して表に出すことのない能力を使い、深雪に危害を与えようとした幹部たちを消し去る。そして迎えた九校戦最終日。最後の種目、モノリス・コード本戦決勝トーナメントが開催される。
二学期になり、三年生が委員会や部活動を引退。生徒会も会長があずさ、副会長は深雪の新体制が始動する。一方、達也は、論文コンペの一高代表メンバーに加わり、鈴音と五十里に協力するよう頼まれる。最初は断ろうとした達也だが、鈴音の論文のテーマが研究中の「重力制御による魔法式熱核融合炉」と知って参加。さらに、義母の小百合から聖遺物(レリック)の解析も引き受ける。だが、この聖遺物を大亜連合が狙っていて……。
達也の自宅にハッキングが仕掛けられた。達也は魔法コンペの研究が狙われているのではと警戒。摩利もまた、論文が産学スパイの標的になることを懸念し、鈴音たちに警備をつけることに。達也たちの予測は的中し、彼らを尾行する者や、奇妙な術式で校内に探りを入れる者たちが現れる。同じころ、エリカの兄・千葉寿和は横浜や横須賀で起きた密入国事件を調査していた。その過程で、思いがけない人物から協力を要請される。
論文コンペの準備が進む中、紗耶香が実験機の傍にいる不審な少女を発見。エリカたちの協力を受け、その少女・平河千秋を捕まえた。花音が事情を聞いたところ、千秋の動機は八つ当たりともいえる達也個人への恨みだった。パスワードブレイカーという違法の品を持っていたことから、黒幕の存在は明らかであったが、達也は想定の範囲と意に介さない。一方、千秋の事件がおとりだと察したエリカは、レオとともに独自に動き出す。
一高のロボット研究部で、論文コンペ用のプログラムをデバックしている最中、達也は不意に眠気に襲われる。睡眠ガスを流し込んで侵入してきたのは鈴音とコンペ出場を競った一科生・関本勲。コンペのプログラムを盗もうとするが、異変を察して駆けつけた花音と眠ったフリをしていた達也に取り押さえられる。一方、千秋が保護されている病院を訪れた摩利と恋人の千葉修次は、大亜連合の陳祥山が差し向けた刺客・呂剛虎と遭遇する。
呂をはじめ、大亜連合のスパイたちが捕らえられたことで事件は解決したかに思われた。それでも、エリカたちは論文コンペの警備を達也に申し出て、事件の調査にあたった独立魔装大隊少尉・藤林もまた寿和に警戒を促す。それぞれの思惑が錯綜する中、ついに論文コンペ開催の日がやってきた。一高の発表が始まる中、全国から集まった魔法関係者、そして魔法協会関東支部を狙い、大亜連合の特殊工作部隊が作戦を開始する。
横浜の各地に次々と大亜連合特殊工作部隊が姿を現し、制圧を開始した。論文コンペ会場も標的となったが、達也がテロリストを撃退。雫の提案を受けてVIP会議室の端末で情報を得たところ、敵の勢力は予想以上に大きいことが判明する。避難する前にデモ機のデータを処分しようとした達也たちは、同じ考えの真由美や十文字たちと合流。今後の方針を話し合う一同の前に、思いがけない人物がやってきて……。
横浜中が戦場と化す中、魔法科高校の生徒たちはテロリストを相手に奮戦。十師族としての務めを果たさんと、十文字は魔法協会支部へ向かい、将輝は義勇軍に参加する。達也を独立魔装大隊に送り出した深雪は、真由美や一般市民とともに避難するが、直立戦車にシェルターへつながる入り口を破壊されてしまう。脱出用ヘリが到着するまでの間、人々をテロリストから守るべく、深雪たちは二手にわかれて撃退に乗り出す。
独立魔装大隊が組織した達也たち飛行兵部隊により、テロリストの部隊は次々と殲滅。さらに「分解」と「再成」という己の能力を存分に使って戦う達也の姿に、敵兵の間には激しい動揺が走る。同じころ、深雪たちは達也の助けによって全員無事にヘリに乗り込んでいた。そのまま横浜を脱出しようとした深雪たちだが、魔法協会支部の危機を知って進路を変更。支部があるベイヒルズタワー屋上には、脱走した呂剛虎が待ち構えていて……。
