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学園都市の全学校が参加して7日間にわたって開催される一大イベント・大覇星祭を控え、街中がお祭りムード。そんななか、美琴と初春、佐天は残骸（レムナント）事件で重傷を負った黒子を見舞う。

ついに大覇星祭が始まるが、佐天はとある都市伝説、不在金属（シャドウメタル）の話を聞きつけてきて、黒子に大目玉を食らっていた。一方、美琴はペア競技に婚后との風神・雷神コンビで出場することに。

美琴と間違われた御坂妹は、常盤台中学の選手としてバルーンハンターに参戦することに。常盤台中学の面々は、競技開始直後から消極策を取る相手校を前に楽勝かと思われたが、なぜか次々に脱落者が出てしまい…。

黒子に怒られたことも気にせず、都市伝説「不在金属（シャドウメタル）」を求めて調査を続ける佐天。初春はウェブ上に不確かな情報が異常に多い上、佐天が見たというサイトが見当たらないことに違和感を覚えるが…。

御坂妹を捜す際の失策から、美琴は食蜂派閥と共に行動することを余儀なくされ、身動きが取れなくなってしまう。しかも、頼みの綱になるはずだった黒子たちは、食蜂によって美琴との記憶を消されており…。

妹達（シスターズ）確保に動いていたメンバー・馬場の手により、傷つけられ、倒れ伏した婚后。その姿を見て静かな怒りをたたえた湾内と泡浮が馬場の前に立ちふさがる。2人を侮った馬場は、交換条件を持ち出すが…。

御坂妹の黒猫を「読心能力（サイコメトリー）」にかけ、手掛かりを探り当てた湾内たち。その情報を美琴に伝えるべく携帯電話を開いた佐天は、すでに美琴の連絡先が登録されていたことに違和感を覚え…。

佐天の情報と初春のパソコンに残された手掛かりから、第2学区にある食蜂のアジトを突き止めた美琴は、ついに彼女と対峙する。食蜂は、御坂妹は彼女が保護していることなど意外な事実を告げるが…。

謎の少女を探っていた黒子が、ついにその正体を突き止める。警策看取…霧ヶ丘付属中学に在籍していた彼女の情報は秘匿扱いとなっていた。詳しく調べると、死亡扱いになっていた警策の記録には怪しいところが多く…。

捕らえたはずの木原幻生は彼の送り込んだ影武者だった。その事実に、食蜂は別の危険な可能性に気づき即座に行動を開始する。食蜂のセーフハウスは襲撃を受け、想定外の事態によって道は塞がれてしまう。

「外装代脳(エクステリア)」の脳波を調律し、御坂妹のプロテクトを解いた幻生はミサカネットワークを掌握。「絶対能力(レベル6)にたどり着けるかどうか」という不気味な言葉と共に、美琴の能力を暴走させる。

異形に姿を変えた美琴には、上条の右手も一時的にしか効果を現さない。美琴に流れ込み続ける何かを止めない限り、上条たちには足止めが精一杯だった。一方、黒子は能力の特性をついて警策の操る人形に対抗するが…。

「目」と「耳」を封じられたにもかかわらず、警策は人形を的確に操り、黒子を攻撃してくる。その秘密を解く鍵を見つけたのは、意外なことに佐天だった。黒子はこれまでの情報をもとに、警策の居場所を予測する。

黒子は警策を拘束し、動きを封じる。食蜂は幾重にも張りめぐらせた計画によって「外装代脳（エクステリア）」を崩壊へと導き、幻生によるミサカネットワークへの介入を断ち切る。だが、美琴は暴走を止められず…。

「才人工房(クローンドリー)」で能力開発を受けていた幼き日の警策は、同じ施設で治療を受けるドリーの世話を任されていた。ある日、ドリーの生命維持装置に疑念を抱いた警策は、彼女の治療の真実を知ってしまう。

ゲコラー仲間の帆風から、とあるカードを手渡された美琴。「インディアンポーカー」と呼ばれるそのカードは、他人が見た夢を体験できるという触れ込みで、学園都市で今ひそかなブームになっているのだという。

黒子たちが調査していたアプリの開発者は、予知/念写能力者の美山写影という小学生だった。運命を変えられる能力者を探していたという彼の協力を得て、黒子たちはいくつかの事件を未然に防ぐことに成功する。

他人の夢を追体験できるインディアンポーカー。その夢を通して、睡眠学習のように役に立つスキルを身に着ける副次効果が確認されたことで、今度はさまざまなカードを取り扱うトレーダーが出現していた。

美容に良いという情報に乗っかって、早速サバ缶を買いに行った佐天。しかし、最後の2缶を手に入れてしまったばかりに、売り切れのワゴンの前で崩れ落ちていた少女・フレンダに付きまとわれる羽目に。

1食(サバ缶)の恩を返すべく、拉致されそうになった佐天を救ったフレンダ。早速お礼のサバ缶パーティで祝杯を挙げようとするが、突如、何者かから狙撃を受ける。その相手にフレンダは「狩人」の匂いを感じ…。

常盤台中学をはじめとした学舎の園、そして大手企業の秘匿情報の漏出が多発。その原因はインディアンポーカーで見た夢と考えられ、対策が採られるが大きな効果は上がらずにいた。一方、食蜂は独自に調査を開始する。

美琴はひとつの体から2人のサイボーグを生み出す研究、「魂の生成」実験の実態を探る。しかし、研究機関への潜入を試みる彼女の目前で、操歯涼子そっくりのサイボーグ「ドッペルゲンガー」が施設から逃走した。

実験に参加した切実な目的と、「ドッペルゲンガー」を生み出してしまった責任。たったひとりでそれらを解決しようとしていた操歯に、美琴は過去の自分の姿を重ねてしまう。意を決して操歯のもとに戻った美琴は…。

「魂の憑依」によってがれきを取り込み、巨大な姿になった「ドッペルゲンガー」。圧倒的な質量で立ちはだかる巨獣に、美琴は砂鉄の巨像を作り上げて対抗する。美琴は砂鉄の特性を生かして巨獣を解体していくが…。

「魂の憑依」のからくりを暴き、飛行船の上で「ドッペルゲンガー」と対峙する美琴。魂を持たない存在として生まれたことへの絶望と、人間への復讐を口にする「ドッペルゲンガー」は自らの似姿を造り出し美琴を襲う。