主人公である司波達也と、その妹・深雪は、国立魔法大学附属第一高校、通称・魔法科高校に入学した。

第一高校には優れた才能を持つ優等生が在籍する一科と、一科のスペアとして入学を許された劣等生が在籍する二科が存在する。

妹の深雪は一科でもトップの優等生だが、兄の達也は劣等生。

しかし、達也は実戦能力が高く、入学早々第一高校でもトップクラスの実力者である生徒会副会長を模擬戦で撃破。

風紀委員に入った達也は、その後も校内の風紀を取り締まっていった。

入学式から約三週間後、第一高校に、反魔法国際政治組織『ブランシュ』によるテロが発生。

剣道部の壬生紗耶香は学内の魔法能力による差別に不満を持っていたことを『ブランシュ』に付け込まれ、犯罪行為に利用されてしまう。

達也は自分と深雪の日常を損なおうとする『ブランシュ』を駆除すべく、仲間たちとともに敵のアジトに乗り込み、テロリストたちを制圧してしまう。

しかもここで見せた力は、真の実力のほんの一端に過ぎないのだった。

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"の時期がやってきた。達也たちの通う第一高校は3連覇を狙う優勝候補の筆頭。

九校戦には選手のほか、魔法を補助するＣＡＤという機械の調整を行なうエンジニアが同行する。
達也はエンジニアとしての実力を高く評価され、二科生で唯一、九校戦に参加することになった。

しかし。新人戦モノリス・コードで一高選手全員が重傷を負う事件がおき、達也は代わりの選手として出場することになる。レオと幹比古をメンバーに加え、達也たちは順調に勝ち進んでいった。

そして迎えた決勝、達也たちは一条将輝率いる第三高校と激突する。

一条の怒涛の攻撃に苦戦を強いられる達也。
一時は追いつめられるも、奥の手のフラッシュキャストを使用してなんとか勝利を収めました。

強敵・第三高校を下し、見事新人戦モノリス・コードで優勝を果たした。
しかし、今年の九校戦は不審な事故が多く、第一高校の女子二人が不審な事故で負傷。
そしてCADのデバイスチェックに運営本部へ向かった達也は、運営職員が深雪のCADに細工をする瞬間を目撃する。

達也は一連の事件が無頭竜（ノーヘッド・ドラゴン）というマフィアの仕業であることを突き止めると、幹部を全員、分解魔法で消し去るのでした。

九校戦が終わって二学期。第一高校は九校が競うもう一つの祭典、論文コンペの準備に追われていた。

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」と知って参加することになった。

ところがその裏で日本の魔法技術を手に入れようと侵入した大亜連合の工作部隊が暗躍。
第一高校の生徒たちを操り、論文のデータを入手しようとしていた。
達也は論文コンペのための研究をする傍ら、風紀委員として研究資料や機器をスパイたちから守ることに。

そして論文コンペ当日、達也たちの発表は無事に成功するも、その直後に武装した大亜連合の特殊工作部隊が会場に乱入。
さらに別動隊が横浜の市街地に次々と姿を現し、制圧を開始した。

達也は仲間たちとともに会場に乱入したテロリストを撃退。真由美や十文字と合流して、今後の方針を話し合うことにした。

そこにやってきたのは国防陸軍 独立魔装大隊隊長の風間少佐だった。
独立魔装大隊に出動を命じられ、ここで達也が軍人であることが明らかになった。

達也は自身にかけられた封印を深雪に解いてもらい、真の力を解放。

独立魔装大隊によってテロリストの部隊は次々と殲滅し、撃退に成功する。
さらに達也は鎮会軍港に展開した大亜連合の軍艦に対し、戦略級魔法：質量爆散（マテリアル・バースト）を放ち消滅させる。

この出来事は魔法師の軍事的価値を大きく上げた軍事史の転換点となり、後世の歴史家たちはこの日のことを「灼熱のハロウィン」と呼んだ。

「灼熱のハロウィン」から二ヶ月後。
第一高校に雫との交換留学でアメリカからアンジェリーナ・クドウ・シールズという留学生がやって来る。

リーナはとても優秀な魔法師で、校内の演習では深雪と互角に張り合うほどだった。

そんなリーナの正体は、「アンジー・シリウス」のコードネームを持つUSNA軍統合参謀本部直属の魔法師部隊「スターズ」最強の魔法師だった。
彼女は二ヶ月前に艦隊を一撃で壊滅させた戦略級魔法：質量爆散（マテリアル・バースト）の術者を探すため、日本にやって来た。

ところがスターズの脱走兵が日本に来ていることが発覚し、リーナは脱走兵の捕縛も命じられる。
そして脱走兵との戦闘中に、彼らがパラサイトという魔物に取り憑かれていることが明らかになった。

パラサイトは仲間を増やすため、多くの人を襲撃し、現場に居合わせたレオもその犠牲になってしまう。
この事件をきっかけに達也たちもパラサイトの調査を開始。
パラサイトを追っていく中で独自の捜査をするリーナと度々遭遇し、戦闘になる。

ある日、パラサイトの一体が第一高校のガレージに置いてあった人型家事手伝いロボットのピクシーに憑依してしまう。
パラサイトはほのかの達也に対する強い想いに呼応して意識を宿らせた。

危険はないと判断した達也たちは、逆にピクシーを利用してパラサイトをおびき寄せる作戦をたてた。
ピクシーを狙うパラサイト達を迎え撃つ達也。エリカやレオのサポートもあり、ピクシーを守りながら何とか2体の封印に成功した。

しかし、宿主を失ったパラサイトは一体化し、リーナでも歯が立たないほど強力に成長してしまう。

達也は深雪に自身の視界を共有し、精神を凍結させる系統外魔法「コキュートス」で一体化したパラサイトを撃破。

一連のパラサイトを巡る事件が終わり、リーナはアメリカに帰国することに。
深雪とリーナは互いをライバルと認め再会を誓うのだった。

春休み、達也たちは小笠原諸島にある雫の別荘に来ていた。

バカンスを楽しむ達也たちだったが、別荘へ帰る飛行機の中で九亜という少女に出会う。
何やら追われている様子の九亜を別荘まで連れて帰り話を聞くと、彼女がわたつみシリーズと呼ばれる調整体魔法師で同じ境遇の８人の少女たちとともに、海軍の秘密研究所で、命に関わる危険な魔法の実験体にされていることが判明した。

九亜の事情を聞いた達也たちは、少女たちを助けることを決意した。

同じ頃、リーナも小笠原に来ていた。
USNA軍もこの実験の危険性をに気づき、わたつみシリーズの確保と施設の破壊を目的に海軍の研究所を襲撃したようだ。

達也は単独で海軍の秘密研究所に侵入して、研究機器や資料を抹消。

無事に九亜の仲間の調整体8人を救出するも、九亜抜きで無理やり行った実験は失敗し、この時すでに60トンの劣化ウランを積載した軍事衛星が地球に向かって動き出していた。

このままでは数時間の内に地球に落下してしまう。

達也はリーナの力を借りて宇宙まで上昇。

究極の分解魔法「ベータ・トライデント」で軍事衛星を消去し、地球を救った。

2096年8月―
第一高校は夏季休暇に入り、達也と深雪、水波は沖縄にいく準備をしていた。
深雪は支度をする中で自分のデスクの上にある写真を眺め、ふと四年前の出来事を思い出した。

2092年8月―（四年前）
達也と深雪は母親の司波深夜と、そのガーディアンである桜井穂波と一緒に、沖縄の別荘にバカンスに来ていた。

この時期の深雪は達也を使用人として扱うよう教育されているため、達也に冷たい態度を取っていた。
しかし、沖縄でともに過ごし達也の様々な側面を見ていく中で、深雪は少しずつ達也への認識を改めていく。

そんな中、国防軍の哨戒艇が正体不明の潜水艦に撃沈される事件が起き、達也たちは国防軍のシェルターへ避難することに。

しかし、避難した先で軍の裏切り者の襲撃を受け、深夜、穂波、そして深雪が銃弾に倒れてしまう。

瀕死の深雪たちを救ったのは達也だった。

達也の《再成》を体験した深雪は、このことをきっかけにすっかり達也を慕うようになった。

深雪を傷つけるものを許さない達也は、軍と協力をしてゲリラの掃討を始める。

その一方で深雪は、深夜から達也についての秘密を聞かされる。
達也は産まれながら普通の魔法が使えなかったため、深夜から魔法を使えるよう精神改造手術を施された。この精神改造で達也は、深雪に対する愛情以外のすべての感情が希薄になってしまったのだ。

《分解》と《再成》を駆使して、戦いを優勢に進めた達也は、最後に理論上は可能とされるものの、誰も成功させたことがなかった戦略級魔法：質量爆散（マテリアル・バースト）を放ち、敵艦隊を殲滅した。

新学期になり、達也たちは二年生になった。
第一高校では魔法に関係するエンジニアを育成する魔工科が新しく設立され、達也はここに転科することになる。

第一高校には新入生として、七草真由美の双子の妹である香澄・泉美や水波、そして七宝家の長男である琢磨が入学してきた。

十師族の七草家と二十八家に連なる七宝家との間には確執があり、とりわけ琢磨は十師族への執着が強く、香澄・泉美と琢磨は入学早々に激しく対立してしまう。

そんな中、反魔法主義を掲げる野党の神田議員が第一高校に視察に訪れることが判明する。
神田議員は魔法科高校が軍と癒着をして軍事教育を行い、生徒の人権を踏みにじっていると世間に訴えかけようとしていた。

その企みを阻止するために、達也たちは重力制御魔法式熱核融合炉の実験を行い、軍事利用以外にも、魔法教育の平和的成果が出ていることを示すことにした。

実験は無事に成功し、見事神田議員の企みを潰すことができた。
しかし、実験に参加した七草の双子がこの件で賞賛を浴びたことにより、琢磨の鬱憤はますますたまりとうとう香澄に喧嘩を売ってしまう。

そして両者遺恨を残さないように、達也の提案で香澄・泉美と琢磨の3人は両家のメンツをかけた試合をすることに。

勝負は互いに譲らずの接戦となったが、致死性のある魔法を使用したことで双方失格。
結果に納得のいかない琢磨は頭に血が上り達也に暴言を吐き捨てる。

そこに割って入って来たのは十三束鋼。琢磨の自分勝手で無礼な行為を見かねた十三束は琢磨へ決闘を申し込む。

後日取り仕切られた試合で、琢磨は十三束に成す術もなく叩きのめされる。
そしてそのままの流れで十三束は達也に試合を申し込み二人は戦うことに。

試合はハイレベルな魔法と体術の応酬の末に達也が勝利。
二人の戦いをみて大きなショックを受けた琢磨は、試合後にその場から走り去ってしまう。

夏が近づき、全国の魔法科高校では九校戦の準備が始まる。
ところが開催一ヶ月前になって競技種目が大幅に入れ替えられることになり、出場する選手の選抜をしている生徒会は大騒ぎに。

実は競技の入れ替えは、十師族の九島家と国防軍の陰謀だった。 彼らはパラサイトを封入したロボット兵士「パラサイドール」を極秘に開発していて、その実験に九校戦を利用しようとしていた。

ある日、達也たちの家に差出人不明のメールが届く。
内容は軍が新兵器の実験を九校戦で行おうとしているというものであった。

実験のことを知った達也は、この年もエンジニアとして九校戦に参加をする傍ら、パラサイドールの監視をすることにした。

朝から夕方までは選手たちのCADの調整、夜には技術スタッフや後輩の相談にのり、翌日の準備。そして深夜に抜け出しパラサイドールを見張る。さすがの達也も疲労がピークに達していた。

一人で抜け出して敵のもとに向かおうとする達也を深雪が呼び止める。

深雪を泣かせてしまい、達也は自分にとって本当に大事なことを再認識した。

深雪に言われたとおりに休み、体調を回復させた達也。
深雪が参加するスティープルチェース・クロスカントリーの女子の部でロボット兵士の実験が行なわれることを掴み、コースに侵入してロボット兵士をすべて撃破した。

スティープルチェース・クロスカントリーは深雪がトップでゴール。
九校戦の総合優勝も第一高校が連続で獲得する結果となった。

九校戦が終わり、二学期が始まった。
真夜から様々な事件の黒幕の黒幕である周公瑾を捕まえるよう依頼される。

周公瑾が古式魔法を使う伝統派の魔法師たちと手を組んだと知った達也は、伝統派と長らく対立し、奈良・京都の守護を担当している九島家を訪問し、協力を要請。
そこで九島家三男の光宣と出会う。

光宣は病弱なものの深雪やリーナに匹敵するほどの魔法力をもつ魔法師。
自ら達也たちの手伝いを申し出て、敵が襲撃してきた際にも大いに活躍した。

しかし、伝統派の拠点と周公瑾の潜伏先の捜索は難航した。達也はエリカ、レオ、幹比古に加え、ボディガードの名倉を殺した犯人を捜したいという真由美と、伝統派との戦いに偶然出くわした将輝の助けを借りて周公瑾の足取りを追った。

そしてついに周公瑾の潜伏先を突き止める。
それはなんと国防陸軍宇治第二補給基地だった。
達也は将輝と一緒に基地を強襲し、周公瑾を炙り出す作戦を大胆に実行した。

周公瑾は基地内での激しい戦闘の混乱に乗じて車での脱出を図るも、逃走経路で待ち伏せていた光宜に車を破壊されついに追いつめられる。

達也たちに包囲された周公瑾は鬼門遁甲を使って逃走を試みるも、達也には全く通用せず最後には自害した。

無事に任務を終えた達也だったが、ある夜、真夜から手紙が届く。
それは達也たちを慶春会へ招待する旨を記した内容だった…