海と山に囲まれた都市・冬木市。ここに暮らす高校生、衛宮士郎は普段と変わらぬ穏やかな生活を送っていた。しかし、そんな日常の裏で、街では頻発するガス漏れ事故に、辻斬りめいた強盗殺人事件など、暗く奇妙な事件が続いていた。それはこの地を舞台に連綿と続いてきた戦い｢聖杯戦争｣の序章だった。そして魔術師の一人、遠坂凛も、共に戦う使い魔(サーヴァント)アーチャーを召喚し、聖杯戦争に挑もうとしていた。

アーチャーと共に聖杯戦争に関わる敵の捜索を始めていた凛は、敵のサーヴァント｢ランサー｣と遭遇し戦いとなった。一方、学校の用事で遅くなっていた士郎は、その戦いを目撃してしまい、ランサーに襲われ突き殺されてしまう。絶命の際、何者かに命を救われた士郎であったが、その生存を知ったランサーに再び襲われる。その時、士郎の元に現れたのは・・・

美しい少女の姿をしたサーヴァント・セイバーに命を救われた士郎。そして士郎の命令で戦いを止めるセイバーと対峙していたのは、同じ学校の遠坂凛だった。驚く士郎であったが、凛から聖杯戦争のあらましを聞き、さらに聖杯戦争の監査役という神父・言峰綺礼から、戦いへの決断を問われるのだった。

聖杯戦争の監査役、言峰綺礼から聖杯戦争について聞かされ、戦いを決意した士郎の前に、数日前の夜にすれ違った不思議な少女・イリヤと彼女のサーヴァント・バーサーカーが立ちはだかった。襲い来るバーサーカーと戦うセイバー。しかし、ランサーとの戦いで傷ついたセイバーは、バーサーカーの攻撃の前に圧倒されていく。血を流すセイバーを見かねた士郎は、思わず彼女を助けに入り、バーサーカーの攻撃を受け瀕死の重傷を負ってしまう・・・。

セイバーの存在を桜や大河に知らせるわけにはいかないと、彼女たちの目に触れないよう部屋に隠れていてもらったが、後ろめたさを感じた士郎は、結局、桜たちに紹介してしまう。納得できない大河はセイバーと道場で立ち合いをする始末だったが、次の朝までに3人は仲良くなり士郎はなんとか平穏を取り戻す。しかし学校では聖杯戦争を戦っている自覚のない士郎に怒りを感じた凛が、放課後、士郎に襲いかかるのだった。

圧倒的な実力差で凛に追いつめられた士郎だったが、決着がつこうとしたまさにそのとき、校内に悲鳴が響いた。二人が駆けつけた先には、魔力の源である生命力を抜かれた女生徒が倒れていた。すぐさま介抱する凛だが、そこに何者かが攻撃を加えてきた。とっさに凛をかばい負傷する士郎。そしてその敵を追った士郎の前に新たなサーヴァントが姿を現した。士郎はセイバーを呼ばず、自分だけで危機を脱しようと試みるが・・・。

学校に潜むもうひとりのマスターを倒すまで協力関係を結ぶことになった士郎と凛。そんな中、ライダーが学校に張った結界はあと2,3日で発動するまでに強まっていた。大惨事を防ぐため、士郎と凛は結界を構成する呪刻をひとつずつ探し出し、解除することで発動を遅らせようと行動する。しかし二人が別れた後、士郎の前にライダーとそのマスターが姿をあらわした。

ライダーのマスターは、士郎の友人で、桜の兄の慎二だった。自宅に士郎を招いた慎二は、間桐家も遠坂と同様に魔術師の家系で、自分も聖杯戦争に巻き込まれたのだと語った。士郎は慎二からの情報で、柳洞寺に更なるサーヴァントが潜んでいることを知るが、柳洞寺にはこちらから攻め込まないという士郎は、戦うべきだというセイバーと対立する。その夜、セイバーは単独で柳洞寺に向かってしまうのだった。

単独で柳洞寺に向かったセイバーの前に、その山門を守るアサシンのサーヴァントが立ち塞がった。そして、セイバーたちの戦いの間隙をついて柳洞寺への潜入を試みたライダーもまた、キャスターと対峙していた。剣技を尽くして戦うセイバーとアサシン。しかし、このままではアサシンを倒せないと悟ったセイバーは遂に宝具を解放しようとするが・・・。

実戦の前に一度でも多くの戦いを経験するため、士郎は学校を休んでセイバーと剣の稽古をすることになった。セイバーに全く歯が立たない士郎だが、果敢に打ち込み続けるのだった。そんな中、昼食に買出しに出かけた士郎は商店街で不意にバーサーカーのマスター、イリヤに話しかけられる。かつて戦った時とは別人で、士郎を兄のように慕ってくるイリヤに戸惑いながらも、穏やかな時間を過ごすのだった。

戦いに備え今日もセイバーと剣の稽古、凛から魔術を教わる士郎。そんなある日、慎二から｢どうしても話したいことがある｣と学校に呼び出される。士郎が単身学校に赴くと、慎二は校内に張り巡らせていた結界を発動させ、校内全ての人間もろとも士郎を倒そうとするのだった。さらに、慎二を止めようと駆け寄る士郎にライダーが襲い掛かる。ライダーと慎二を倒し、学校のみんなを救うために士郎は令呪を使ってセイバーを召喚した。

これ以上慎二に無関係な人達を傷つけさせるわけにはいかないと、士郎とセイバーは魔力の気配を辿って街を捜索するのだった。夜の新都にやって来たところで、ライダーは二人の前に姿を現し、セイバーを高層ビルの屋上に誘い込む。そこで天馬とそれを操る宝具で圧倒するライダー。強力な攻撃を防ぎ勝機を待つセイバーだったが、慎二を追って士郎もその場に駆けつけてしまった。セイバーは士郎を守るために自らの宝具を解放し、黄金に輝く剣が姿を現したのだった。

ライダーとの戦いで魔力を使い果たしたセイバーは意識を失ってしまう。このままでは自分の体を維持することができずに消滅してしまうが、士郎には魔力を供給することができない。力なく横たわるセイバーを見て、自分の無力さを思い知り公園で一人悩む士郎だったが、そこへイリヤが現れる。無邪気な態度に油断した士郎はイリヤに捕らえられ、アインツベルン城へ連れ去られてしまった。それを知ったセイバーは、凛、アーチャーと共に士郎の救出に向かった。

アインツベルン城に潜入したセイバー達は首尾よく士郎と再会。そのまま脱出をはかるが、その行動はすべてイリヤによって捉えられていた。立ち塞がるバーサーカーを前に凛は、このままでは全滅は免れないと、アーチャーを足止めに残すことを決断する。バーサーカーの圧倒的な攻撃力を前に善戦するするアーチャーだが、次第に追いつめられていく。そして激闘の果てに敗北を確信したアーチャーは、ついに自らの切り札を発動するのだった。

アーチャーの足止めによって、かろうじてアインツベルグ城から逃れた士郎たちだったが、セイバーの限界を感じ、森の廃屋に身を隠す。このままではセイバーは消滅し、追撃してくるバーサーカーにも対抗できない。そこで凛はセイバーに魔力を供給するために、士郎の魔術回路を直接セイバーに移植することを提案する。それは士郎に大変な苦痛を与え、かつ魔術師として重大な欠陥を負う事を意味するが、士郎はその案を受け入れる。

凛はバーサーカーへの奇襲に成功した。しかし。宝具｢十二の試練｣によって倒したはずのバーサーカーが蘇り凛はその腕に捕らえられてしまう。あと七回殺さねば倒せないという絶望的な状況に、ついにセイバーはエクスカリバーを使おうとするが、魔力の足りないセイバーでは自信も消滅してしまうと、士郎に令呪で止められてしまう。万策尽きたかに思えたその時、｢イメージするものは常に最強の自分｣というアーチャーの言葉を思い出した士郎は、かつて夢見た黄金の聖剣を投影する。それは、失われたはずのセイバーの剣だった。

バーサーカーとの死闘を乗り越え、しばしの平穏を取り戻した士郎たちだったが、日常風景に少し変化があった。バーサーカーを失ったイリヤが衛宮家に同居することになり、士郎とセイバーはお互いを意識してしまい妙にぎこちないのだった。一方、新都では昏睡事件がその規模を増し、被害は拡大し続けていた。原因は柳洞寺に潜むキャスターだと一同に告げるイリヤ。そして柳洞寺の住人について話を聞いた士郎と凛は、イリヤの情報と一致するその人物がマスターである疑いを持ち、行動を開始する。

聖杯の生贄としてさらわれてしまった桜を救うべく、士郎、凛、セイバーはキャスターの拠点である柳洞寺へ向かった。参道の脇に隠された入り口を抜け、キャスターが魔力で作り上げた巨大な神殿を進むが、キャスターの差し向けた竜牙兵、アサシン、そしてマスターである葛木が立ち塞がった。セイバーと士郎がそれぞれ戦う中、ついに桜の元へたどり着いた凛。しかしキャスターに操られた桜は自我を失い、凛に攻撃を仕掛けてきた。助けるはずの桜からの攻撃に苦戦する凛だが、このままでは桜は聖杯にすべての魔力を吸われ死んでしまうと、最後の決断を下すのだった。

キャスターは桜を助けるために傷ついた凛を聖杯の生贄にしようとしていた。しかし、葛木に苦戦する士郎、そしてかろうじてアサシンを撃退したが、宝具を封じられているセイバーにもキャスターを倒す術はなかった。勝利を確信したキャスターはセイバーに自分のしもべとなれば士郎は助けてもいいと問いかける。絶体絶命に思われたその時、突如として黄金の騎士が現れ、無数の宝具と圧倒的な攻撃力でキャスター、そして葛木を一瞬で倒してしまった。それは存在するはずのない8人目のサーヴァントだった。

謎の8人目のサーヴァントは、前回の聖杯戦争で召喚されそのまま現世に留まったサーヴァントだった。そして聖杯の力を使えばセイバーもまた二度目の生を受けられると知った士郎は、セイバーにこの世界で自分のために生きて幸せになってほしいと願う。しかし、セイバーは聖杯を手に入れれば願いをかなえて消えてしまうが、彼女を救えるのもまた聖杯だけという矛盾に士郎は葛藤するのだった。セイバーへの自分の気持ちに気づいてしまった士郎は、セイバーをデートに誘った。それは、しばし戦いを忘れた穏やかな時間となったが、士郎のセイバーにいき続けて欲しいという告白に、自分の誓いを否定されたセイバーは反発し、二人は反目してしまう。

お互いの存在を認め合ったセイバーと士郎の前に、再びあの黄金サーヴァントが現れた。セイバーを我がものにしようとする敵に二人は立ち向かうが、その攻撃力の前に圧倒されてしまう。一人の英霊では持つことのできない無数の宝具を駆使するその正体は、かつて世界が一つだったころ、全てを手にしていた人類最古の王ギルガメッシュだった。渾身の力でエクスカリバーを放つセイバーだが、ギルガメッシュの宝具エアの前に打ち倒されてしまう。敗北を確信し、士郎に逃げるように告げるセイバーだが、士郎はなおも立ち向かうのだった。その時、士郎のイメージしたものが眼前に現れた。光り輝くそれは・・・。

士郎が一人で言峰教会に行ったと知り、不穏なものを感じたセイバーは急ぎ教会へ駆けつけたが、すでにランサーの槍に貫かれた士郎が瀕死の状態で横たわっていた。駆け寄るセイバーだが眼前にランサーが立ちはだかった。斬り合うセイバーとランサー。そこに言峰が現れ士郎に問いかけた。聖杯を欲するかと。聖杯の力で苦悩の過去を無かったことにできるとすればおまえは聖杯を欲するだろうと。セイバーにも同じ問いが向けられた。そして二人の決断を前に、この戦いの真実が明らかになる。

聖杯より溢れ出す呪い｢この世全ての悪｣にとらわれ苦悶する士郎。そのころセイバーもまたギルガメッシュの圧倒的な力の前に苦戦を強いられていた。容赦なく放たれるギルガメッシュのエヌマ・エリシュの前に絶体絶命の危機を向かえたその時、セイバーの眼前に光とともに現れたのは聖剣の鞘｢全て遠き理想郷(アヴァロン)｣だった。そしてセイバーに呼応するように、士郎もまたその究極の守りを投影し闇を打ち破った。全ての魔力を剣に集めギルガメッシュへ斬りかかるセイバー。凛に託された短剣を手に言峰に突進する士郎。聖杯をめぐる長き戦いはついに決着をむかえる・・・。