二学期になり、三年生が委員会や部活動を引退。生徒会も会長があずさ、副会長は深雪の新体制が始動する。一方、達也は、論文コンペの一高代表メンバーに加わり、鈴音と五十里に協力するよう頼まれる。最初は断ろうとした達也だが、鈴音の論文のテーマが研究中の「重力制御による魔法式熱核融合炉」と知って参加。さらに、義母の小百合から聖遺物(レリック)の解析も引き受ける。だが、この聖遺物を大亜連合が狙っていて……。

達也の自宅にハッキングが仕掛けられた。達也は魔法コンペの研究が狙われているのではと警戒。摩利もまた、論文が産学スパイの標的になることを懸念し、鈴音たちに警備をつけることに。達也たちの予測は的中し、彼らを尾行する者や、奇妙な術式で校内に探りを入れる者たちが現れる。同じころ、エリカの兄・千葉寿和は横浜や横須賀で起きた密入国事件を調査していた。その過程で、思いがけない人物から協力を要請される。

一高のロボット研究部で、論文コンペ用のプログラムをデバックしている最中、達也は不意に眠気に襲われる。睡眠ガスを流し込んで侵入してきたのは鈴音とコンペ出場を競った一科生・関本勲。コンペのプログラムを盗もうとするが、異変を察して駆けつけた花音と眠ったフリをしていた達也に取り押さえられる。一方、千秋が保護されている病院を訪れた摩利と恋人の千葉修次は、大亜連合の陳祥山が差し向けた刺客・呂剛虎と遭遇する。

呂をはじめ、大亜連合のスパイたちが捕らえられたことで事件は解決したかに思われた。それでも、エリカたちは論文コンペの警備を達也に申し出て、事件の調査にあたった独立魔装大隊少尉・藤林もまた寿和に警戒を促す。それぞれの思惑が錯綜する中、ついに論文コンペ開催の日がやってきた。一高の発表が始まる中、全国から集まった魔法関係者、そして魔法協会関東支部を狙い、大亜連合の特殊工作部隊が作戦を開始する。

横浜の各地に次々と大亜連合特殊工作部隊が姿を現し、制圧を開始した。論文コンペ会場も標的となったが、達也がテロリストを撃退。雫の提案を受けてVIP会議室の端末で情報を得たところ、敵の勢力は予想以上に大きいことが判明する。避難する前にデモ機のデータを処分しようとした達也たちは、同じ考えの真由美や十文字たちと合流。今後の方針を話し合う一同の前に、思いがけない人物がやってきて……。

横浜中が戦場と化す中、魔法科高校の生徒たちはテロリストを相手に奮戦。十師族としての務めを果たさんと、十文字は魔法協会支部へ向かい、将輝は義勇軍に参加する。達也を独立魔装大隊に送り出した深雪は、真由美や一般市民とともに避難するが、直立戦車にシェルターへつながる入り口を破壊されてしまう。脱出用ヘリが到着するまでの間、人々をテロリストから守るべく、深雪たちは二手にわかれて撃退に乗り出す。

体内から血を抜き取られ、死亡するという猟奇殺人事件が発生した。その手口から「吸血鬼事件」と呼ばれたこの事件は、アメリカでも同様に起こっていた。吸血鬼が世を騒がせる中、その脅威がレオへと襲い掛かる。