該片講述的是《鐵膽火車俠》幾年之后的故事，部分人物的聲優(yōu)有變更?；九c《鐵膽火車俠》一樣是面向小學(xué)生的作品。前作的主人公哲雪在故事的最后幾集登場(chǎng)。
　　鐵膽火車俠與黑魔頭兩軍離開(kāi)數(shù)年后。由于黑魔頭軍再?zèng)]有入侵地球的事被判明，JHR基地 面臨著被封閉的命運(yùn)。不過(guò)現(xiàn)在，黑魔頭軍又再度襲來(lái)。他們的目的是為了帶給人類不幸，并利用人類小學(xué)生圣橋健太來(lái)協(xié)助他們做壞事。期間健太誤入了500系新干線所行使的鐵軌上而快要被火車撞到。就在這時(shí)，光能量從宇宙飛來(lái)并與500系新干線合體，鐵膽火車俠Lightning West變形！鐵膽火車俠與黑魔頭軍的戰(zhàn)斗又再度展開(kāi)了。

位于東京西部的巨大“學(xué)園都市”。在總?cè)丝谶_(dá)230萬(wàn)人，其中約8成是學(xué)生的這座都市中，實(shí)施著超能力開(kāi)發(fā)的特殊課程，學(xué)生們的能力被給予從“無(wú)能力Level 0”到“超能力Level 5”的六階段評(píng)價(jià)。高中生上條當(dāng)麻，也是住在學(xué)園都市的學(xué)生之一。他由于隱藏在右手中的力量——只要是異能之力，就連神的加護(hù)都能消除的“幻想殺手Imagine Breaker”，而被評(píng)價(jià)為名落孫山的“無(wú)能力”，過(guò)著充滿不幸的人生。而上條的學(xué)生生活，由于暑假開(kāi)始時(shí)從天而降的純白修女而發(fā)生了巨大的變化。自從與逃離“魔法”世界的她——“禁書目錄茵蒂克絲”相遇開(kāi)始，上條就被卷入了各種各樣的事件中。統(tǒng)率學(xué)園都市的“科學(xué)”方、與茵蒂克絲關(guān)聯(lián)的“魔法”方，在驚險(xiǎn)地解決雙方事件的過(guò)程中，他的人際關(guān)系也逐步擴(kuò)展。之后，魔法一方的十字教最大宗派羅馬正教，終于注意到上條的存在……。如同呼應(yīng)魔法方一般，科學(xué)方的學(xué)園都市也有所動(dòng)作。但也有與逐漸開(kāi)始對(duì)立的世界動(dòng)向抗?fàn)幍娜瞬粩喑霈F(xiàn)。那些通過(guò)與上條有所關(guān)聯(lián)，而使命運(yùn)大為改變的“英雄”們。他們挺身而出與世界對(duì)峙。如同上條當(dāng)麻做過(guò)的那樣?？茖W(xué)與魔法第三次交織之時(shí)，故事將大幅推進(jìn)?。?/p>