Tokyo ESP sigue a Rinka Urushiba, una camarera a tiempo parcial en Tokio que ayuda a mantener a su padre desempleado y no espera otra cosa que llevar una vida corriente. Eso cambia el día en que ve un pingüino volador flotando por el cielo de la ciudad. Cuando lo persigue hasta la azotea de un edificio, encuentra escenas aún más extrañas: peces de colores voladores y a un compañero de clase, Kyoutarou Azuma, que puede ver las mismas cosas imposibles. Después de que un pez de colores atraviesa su cuerpo y la deja inconsciente, Rinka despierta con el poder de atravesar la materia sólida.
Su habilidad trae consigo otra señal todavía más extraña: cada vez que la usa, su cabello se vuelve blanco. Al principio, ella se resiste, pero decide poner su nuevo don al servicio de la protección de la ciudad y pasa a ser conocida como la «Chica Blanca». Trabajando junto a Kyoutarou, que adquiere el poder de la teletransportación, Rinka comienza a enfrentarse a las injusticias ocultas en Tokio mientras choca con otros espers cuyos poderes se emplean con fines mucho menos nobles. A medida que sus habilidades los arrastran más profundamente a los conflictos secretos de la ciudad, Tokyo ESP combina la vida cotidiana, las labores de rescate propias de un superhéroe y el inquietante auge de una nueva generación de enfrentamientos entre espers.
