第四次圣杯战争即将开始，为赢得圣杯，参战的魔术师互相搜集情报，而可以确定的是此次战争中有远坂家族的第五代当家远坂时臣，圣堂教会的代表言峰绮礼，时钟塔降灵科的讲师肯奈斯，间桐家族继承人间桐雁夜，时钟塔的学生韦伯以及魔术师杀手卫宫切嗣，其中，时臣和绮礼表面是敌人，但私下结成同盟，绮礼要帮助时臣赢得战争。得到圣遗物后，魔术师们以此为媒介召唤英灵加入圣杯的争夺之战 ……

虚伪的战端韦伯成功召唤出英灵 Rider，当被问及将会如何使用圣杯时，韦伯的回答在 Rider 看来是愚蠢和狭隘的，身为 Master 的韦伯气不过可又无可奈何，两人决定先查找其他英灵的所在。另一方面，最后一位 Servant 被杀人狂雨生龙之介召唤出来，圣杯战争正式打响，绮礼开始行动他让 Assassin 暗杀时臣，可却被时臣的 Servant 抹杀。

失去 Servant 的绮礼向圣堂教会请求保护，然而 Assassin 被抹杀这件事根本就是绮礼和时臣的阴谋，他们不过是想让其他 Master 放松警惕，不过，从爱因兹贝伦城来到日本的切嗣在看到关于 Assassin 的影像后，察觉到事情并非那样简单，而与切嗣分头行动的爱丽苏菲尔冒充 Saber 的 Master 以保护切嗣的身份不被暴露，这时，另一位 Servant —— Lancer 向 Saber 发出挑战。

Saber 表明自己不是贞德后，Caster 精神倍受打击，便和龙之介陷入了更加丧心病狂的杀人中，但他们的行踪也被 Assassin 反应给了圣堂教会，作为圣杯之争监督言峰璃正，决定发动其他 Master 先除掉违反规则的 Caster。另一边，切嗣为除掉肯奈斯在他的住所放了火，但行动中差点被绮礼抓到。

圣杯之争的监督言峰璃正更改规则，正式通知各位 Master 暂时停止争斗，全力围剿 Caster，并以令咒作为奖励。切嗣和爱丽丝菲尔汇合商量接下来的对策时，Caster 以一群孩子为人质将 Saber 引诱出来，由于 Caster 拥有统领恶魔军队的法术，Saber 吃力迎战，这时，Lancer 赶来援助。而肯尼斯此次前来的目的是想趁机消灭 Saber 的 Master。

舞弥和爱丽丝菲尔刚出城堡就遇上了入侵者绮礼，二人为保护切嗣虽拼尽全力，可还是不敌身为魔术师杀手的绮礼。与此同时，Saber 以“风王铁锤”为 Lancer 开路，趁此机会 Lancer 一招制敌，将 Caster 的宝具划破，见势不妙 Caster 先行逃跑，战斗暂时结束，Lancer 急忙赶去救走被切嗣重创的 Master，而 Saber 也赶去爱丽丝菲尔身边。

由于中了切嗣的起源弹，肯尼斯失去全身的魔力回路，再也无法使用魔术，他的未婚妻索拉趁此机会将他的令咒强行夺取，成为了 Lancer 的 Master。另一边，韦伯发现冬木河口附近有异样，深入调查后发现了 Caster 的老巢，谁想却在这里遭到了 Assassin 的袭击，离开时，Rider 一把火将这里烧掉。

因为要参加圣杯战争，时臣将妻子葵和女儿凛送离冬木市。某日，凛的好朋友琴音突然消失，凛非常担心便只身一人前往冬木寻找音琴，按照父亲送她的魔力针的指引，她一路找到一个地下酒吧，虽然找到音琴，却也被杀人狂龙之介发现，打斗中凛魔力爆发破坏了龙之介的手镯，成功将大家解救。

时机已到，时臣不再躲在暗处而是准备利用 Archer 的力量消灭其他 Master。绮礼在和 Archer 的问答中，被压抑的欲望和野心渐渐苏醒，并在 Archer 的言语引诱下意识到自己的愉悦，这时，绮礼手上出现令咒，他被圣杯选为新的 Master。另一边，切嗣为爱丽丝菲尔和 Saber 找到了新的活动据点。

Rider 的记忆流入韦伯的梦里，韦伯决定带他去闹市逛逛，回来的路上，韦伯因弱小的自己身为 Rider 的 Master 而感到自卑，Rider 却安慰他自卑正是胸怀霸道的征兆。而另一边，Caster 和龙之介也计划实现他们的“美学”，Caster 在未远河召唤出巨大的怪物，Rider，Saber 和 Lancer 有所感应聚在一起，暂时休战齐心合力对付 Caster。

时臣和 Archer 虽到达未远河，可不论时臣如何劝说 Archer 都不愿再出手，这时 Berserker 出现攻击 Archer，二人开始在空中打斗，时臣找到雁夜，当雁夜问及樱的事时，时臣的冷漠让他恼羞成怒。Caster 的攻击越来越强烈，他凭借着无限再生能力的不死之身，让 Saber 等人陷入苦战，当龙之介被躲在暗处的舞弥杀害后，Caster 也愈发疯狂。

Rider 等人对这个大家伙束手无策，便决定暂时撤退，再作商议，他用“王之军势”把 Caster 控制在固有结界以拖延时间，而接下来的行动就交给 Saber 等人了，这时，切嗣打来电话提醒 Lancer 解开 Saber 左手的诅咒，解除之后 Saber 使用宝具誓约胜利之剑将 Caster 一招击毙。另一边，雁夜被时臣打成重伤，暗中观战的绮礼本想杀掉他，可想到 Archer 的话，又改变了主意。

言峰璃正被杀后，绮礼按照父亲留下的暗号将所有令咒转移到自己身上。另一边，爱丽丝菲尔答应了时臣发出的结盟邀请，但条件是让绮礼退出圣杯战争，绮礼虽口头答应但是他私下和 Archer 两人早有谋害时臣之心，在与时臣道别的晚上，绮礼用时臣送他的短刀了结了自己恩师的性命，并和 Archer 缔结新的契约。

离开小岛后，切嗣和娜塔莉娅相依为命，并逐渐走上了和她相同的道路。在某次委托中，娜塔莉娅接到了暗杀驱使蜂之使魔波尔扎克的任务，她在飞机上轻松杀掉波尔扎克，原以为任务顺利完成，可没想波尔扎克竟将毒蜂装入自己体内，全飞机的人除娜塔莉娅以外都变成了食尸鬼，为了不让悲剧扩大，切嗣在飞机降落前忍痛将其轰进了大西洋。

爱丽丝菲尔的身体逐渐崩坏，只能静躺在魔法阵之中，切嗣从她身上取走剑鞘后便前往时臣的住所，在埋伏和潜入过程中，切嗣意识到时臣已死，这时，舞弥打来电话说 Rider 掳走夫人，切嗣使用令咒让 Saber 赶去仓库，而此时的舞弥已是奄奄一息，她拒绝了 Saber 的治疗并让她去追夫人，舞弥在见到切嗣最后一面，安心离去。

Saber 追到 Rider 却没有看到爱丽丝菲尔，她用誓约胜利之剑打败 Rider 后离开。与此同时，伪装成 Rider 的 Berserker 将圣杯容器爱丽丝菲尔带到绮礼和雁夜身边，作为交换，绮礼安排雁夜和时臣见面，当雁夜到达教堂时却发现时臣已死，而这一幕被葵看到，误会了雁夜的葵戳中他的痛处，在精神错乱的状态下雁夜对葵发动了人身攻击。

舞弥被杀，爱丽丝菲尔下落不明，卫宫切嗣又变成了孤独一人，可他必须为了拯救世界而坚持战斗。绮礼从爱丽丝菲尔口中得知切嗣的理想后将她杀害。圣杯之争接近尾声，绮礼发出最后决斗的信号，Rider 上阵前，韦伯一次下了三道命令将令咒耗尽，可 Rider 还是以朋友的身份，带着韦伯一起奔赴战场。

在前方等待 Rider 的是 Archer，两人在短暂的酒宴后正式开始战斗，Rider 虽使用“王之军势”，可这回 Archer 也动了真格，他用能将世间万物破坏殆尽的初开剑打破 Rider 的结界，拼死一搏的 Rider，最终败在 Archer 剑下。与此同时，Saber 在和 Berserker 激烈打斗中，惊讶的发现 Berserker 居然是自己的圆桌骑士兰斯洛特，看到沦落如斯地步的兰斯洛特，Rider 话在她耳畔回响。

Saber 虽于心不忍但为了自己的理想还是将 Berserker 消灭。同时，绮礼和切嗣两人终于在战争末端迎来殊死较量，就在双方都要给彼此发出最后一击时，切嗣进入了圣杯的内部，并在和圣杯进行问答后拒绝了圣杯，Saber 眼看就要得到圣杯，可切嗣却使用了两道令咒让她将其毁掉。

在破坏掉圣杯后 Saber 含恨消失，而让切嗣没想到的是被破坏的圣杯所溢出的黑泥烧毁了整个冬木市，绮礼和 Archer 在黑泥中得到重生，而切嗣却因这样的结局难得救赎，在到处找幸存者的过程中，他发现了最后的“稻草”—— 士郎。最后的五年中，切嗣远离魔术平静的和士郎生活在一起，他正义使者的梦想也被身边这个少年所继承。