本作的故事发生在游戏发售后一年的2010年，背景为现代日本，舞台从涩谷转移至秋叶原。其世界观与前作CHAOS;HEAD共通，但两部作品之间并无直接关系。
故事开始于2010年7月28日，“未来道具研究所”社团的两人，冈部伦太郎和椎名真由理去秋叶原广播会馆参加中钵博士的时间旅行理论发表会，见到了年仅18岁就在《科学》杂志上发表学术论文的天才少女牧濑红莉栖。发表会结束不久后，在会馆8楼深处，冈部发现了身上满是鲜血的红莉栖。惊慌失措的他带着真由理立刻离开会馆，给社团另一成员桥田至发送一条电子邮件告知这一事件。然而发送后的瞬间，冈部愕然发现街道人群消失，广播会馆及周围早已因不明人造卫星坠落缘故被封锁，没有人记得他所经历的事件。
数小时后，冈部和阿至在大学讲习现场再次遇见红莉栖，引发一阵骚乱。对冈部所说的话感到兴趣而至“未来道具研究所”的红莉栖偶然见到了冈部他们进行的实验，一连串研究发现冈部发送的电子邮件在一周前被收到!“未来道具研究所”研制的未来道具8号“电话微波炉(暂名)”竟然具备着将电子邮件发送到过去这一时间机器的功能。此时，冈部他们还不知道，这一发明，和他那封送到过去的电子邮件，已经影响了整个世界的未来……
作品中从架空的事物到实际存在的企业、大学、商品都以真名登场，现实中流传的都市传说、阴谋论、网络语言等话题也有提及。故事的核心由自称为未来人、实际上存在的网络人物约翰·提托所流传的话语、通过主人公的言行和手机进行操纵的游戏系统、网络上流传的“la jodaso stiana(食堂之男)”等为主题的小故事等构成，并借此虚实结合地展开故事。其开始时稍难理解，过半时突然展开。其中多有伏笔，结尾一气呵成。有评论称本作品“通关后还想消除记忆再来一次”。
故事大纲
在游戏版本中，随着选择的不同，后面剧情亦会出现极大改变。游戏共有3条主线故事：“Fate”、“Unlimited Blade Works”及“Heaven's Feel”。玩家必须依次完成篇章才可解锁下一个线路。
序章
传说，在日本的某个名叫“冬木市”的城市里，每隔数十年，会出现能实现其持有者所有愿望的宝物“圣杯”。7名魔术师(御主(マスター，Master))与7名使魔(从者(サーヴァント，Servant))签订契约，为了争夺圣杯而参与“圣杯战争”。能获得圣杯的只有一组，这7组人马各自为了成为最后的那一组而互相残杀。但是，这场战斗和魔术是完全对公众隐藏的。
高中二年级的冬天，远坂凛继承了在上次圣杯战争中丧生的父亲的遗愿，参与圣杯战争。凛召唤了一名男性从者，但是由于他对年轻的魔术师凛采取了轻视的态度。为了使他按自己的意愿行事，凛使用了次数有限的绝对命令权：令咒。虽然由于命令抽象而效果甚微，但出于作用于他的强大魔力，这名从者承认凛是他的御主，自己是Archer(弓兵)的从者。
第二天，凛注意到学校里被设立了一个以危害校园内的人员而获得魔力为目的的结界，于是在学生不在的夜间开始调查，期间遭到了别的从者Lancer(枪兵)的攻击，Archer便与之战斗。但是，一名学生目击到了这场战斗，Lancer为了封口而杀害了那个学生。那位学生名叫卫宫士郎，因为有重要的缘分，远坂凛用父亲留下的吊坠中的魔力救下了他，但是注意到Lancer不会放过死而复生的目击者后，为了保护士郎和Archer一起赶往了士郎的家(卫宫邸)，却在卫宫邸前被新的从者袭击。那个从者是一个身材矮小的金发少女，是凛真正希望召唤的从者：Saber(剑士)。
卫宫士郎是10年前(1994年)发生的冬木市火灾的幸存者，曾由其养父教学了基本的魔术，是一名半吊子魔术师。2004年2月2日晚，士郎在夜晚的学校偶然目击了从者Archer和Lancer之间的战斗，被Lancer杀死后幸得远坂凛用父亲留下的吊坠中的魔力所救，随后回到了家。而他没死的事很快被Lancer知道，刚到家不久就被Lancer追杀。他逃到了院子里的仓库里，发现藏在地上的魔法阵发动了，无意中召唤了从者之一的Saber(剑士)，被卷入了圣杯战争。士郎希望继承在灾难中救了自己的亡父卫宫切嗣的理想，成为“正义的伙伴”。士郎同意以御主的身份参与战争，以防止其他御主造成进一步的灾难，导致十年前的悲剧再度重演。
故事结局
原著游戏中，故事结局共有45个。其中Bad ending/Dead ending出现了四十次，不过于其中一个结局中，士郎虽然死亡，此结局仅被归类于Normal End;最后五个以胜利者身份完成第五次圣杯战争的正面结局(并非所有Bad Ending士郎皆无法胜利，只是就剧情来说是属于负面结局)。而五个胜利的结局分别为：
Fate(Saber路线)
唯一结局：梦的延续
完成圣杯战争，完成与士郎的约定，破坏圣杯后，Saber终于可以放下从者的身份，微笑着对士郎说出“我爱你”。得到解脱的王回到自己的时代，归还精灵之剑，带着王的骄傲，在树下平静地安息，2006年Studio Deen制作的Fate线电视动画即以此作为结局之基础。
Unlimited Blade Works(凛路线)
True End：Brilliant Years
与士郎和Archer的相遇，使Saber坚定了自己的信念。带着对士郎的情感，Saber和Fate路线一样，继续走完她的旅途。Archer在朝阳下离去，将过去的自己托付给凛。士郎与凛经过残酷的战争后，士郎跟随凛学习魔术并定下相守一生的约定，在此结局中有透露凛即将在毕业后前往英国伦敦塔进修，并且邀约士郎一起前往伦敦，2010年制作的Unlimited Blade Works线剧场版和2014年重制的Unlimited Blade Works线电视动画即以此作为结局之基础。
Good End：Sunny Day
即使经过两次圣杯战争的血战，Saber仍未明定自己的意念，因此Saber决定借助凛与士郎的魔力，以“使魔”这种不会涉及到圣杯规定的契约留于现世。与士郎、凛过着幸福的三人生活的同时也试着寻找自己的信念。2015年ufotable公开了以此为结局的UBW动画SP。
Heaven's Feel(樱路线)
至少完成[Saber]、[凛]路线其一之结局之后才可解锁的游戏路线，所有的伏笔、真相皆于此路线中揭明，透过此路线的进程，玩家可完整的了解所谓圣杯战争真正的“样貌”。
True End：春天归来
伊莉雅丝菲尔以生命为代价留住士郎的魂魄，凛借助一个人偶使士郎复活。之后具有圣杯机能而拥有接近无限的魔力的樱以补充魔力的方式保持士郎的生命力。凛从伦敦返回后，似乎也加入进来。
在老虎道场第39回表示此线为游戏真正的结局。(奈须磨菇在后来已否定此线为真正结局。TYPE-MOON的世界是平行宇宙，即每个故事版本都可被视作“真正”发生。)
Normal End：樱之梦
士郎做出最后的投影以破坏几乎成型的圣杯，自身完全崩溃。得到救赎的樱在卫宫邸住下，一直期待与之相会，直到生命尽头。
“Réalta Nua”版追加结局
Last Episode(最后的结局)
Réalta Nua为爱尔兰语，意为新生。在2007年于PlayStation 2发售的《Réalta Nua》版本中，另追加Fate线的后续补完结局：“Last Episode”(最后的结局)。该剧情在完成全部45个结局后出现。
Saber在Fate线中完成她身为王的理想，来到理想乡。之后士郎与Saber在理想乡中再次相会。据Last Episode最后的解释，该草原即是阿瓦隆。
赤龙战役
煌历3015年，两大国多纳提亚与黄烂进入冷战状态，世界因此变得四分五裂。其中小岛国尼尔加姆伊丧失独立权，国家的守护神“赤龙”发生异变而暴走，为此，来自三国的精英们组成了名为“混成调查队”的部队前往调查事件真相。
混沌战争
在因为“赤龙”陷入疯狂而引发的“赤龙战役”十年后，身为世界根源的七龙之中，又有三柱龙陷入疯狂。狂乱的魔素将人转化为非人之物，世界到处都是混沌龙的军队，世界因此陷入混沌战争之中。
霸王春秋
西方大国“多纳提亚”的皇帝驾崩，多纳提亚与东方大国“黄烂”之间因而终止了短暂的和平。多纳提亚帝国分裂成数个独立国家。所有国家为了掌握世界的霸权纷纷争夺龙的遗骸“龙骸”，还有狂乱之龙所造成的“魔素之地”为目标而开始行动。
来自七个国家的七位霸者，赌上世界霸权而互相争斗。历史的巨轮来到“霸王春秋”的时代。
众神在一千年一度的“人类存亡会议”决定让人类灭绝，唯有女武神布伦希尔德反对。她主张应举办由13位神明对上13位人类，并各自进行1对1决斗的“神VS人类的最终斗争”。若是人类先取得7胜，就可以存活至下一次的“人类存亡会议”。首战为吕布奉先对上雷神索尔....
宣传截图
由于人类不断破坏环境，众神在一千年一度的“人类存亡会议”决定让人类灭绝，唯有女武神布伦希尔德反对。她主张应举办由13位神明对上13位人类，并各自进行1对1决斗的“神VS人类的最终斗争”。若是人类先取得7胜，就可以存活至下一次的“人类存亡会议”。
第一回战：吕布奉先vs.雷神索尔(胜)
第二回战：亚当vs.宙斯(胜)
第三回战：佐佐木小次郎(胜)vs.波赛顿
第四回战：开膛手杰克(胜)vs.海克力士
第五回战：雷电为右卫门vs.湿婆(胜)
第六回战：前 释迦牟尼(代表人类)vs.七福神集合体“零福” 后 释迦牟尼(代表人类)vs.波旬
1998年，本应在90年代初结束的冷战因为种种原因而没有结束，这是一个铁幕依然存在的时代，美苏两个超级大国仍然在明争暗斗，世界依然被铁幕分成东西两大阵营，大国间虽然没有进行大规模的军事行动，但是各个小国间的战争和冲突依然不断发生，而各国的情报人员也进行着残酷的间谍战，而原本应被装甲车和战斗直升机支配的战场因强袭机兵“Arm Slave”的出现而发生很大的变化。
幼年遭遇飞机事故，因而在阿富汗长大的男主角相良宗介中士是神秘的国际组织秘银特殊部队成员，专门在世界各地即将发生战争或武装冲突的地区执行组织下达的秘密任务，对抗恐怖份子，缓救人质，化解各式各样危机。
而宗介最新的任务要尽快前往日本，任务内容为伪装成高中生潜入都立阵代高校，去保护一位16岁的女高中生千鸟要。这位少女似乎和普通的女高中生没有什么两样，但不知什么原因却成为各国间谍秘密争夺的目标。为了保护千鸟，宗介驾驶着80年代末才在战场中出现的新式兵器--强袭机兵“Arm Slave”与其他神秘组织对峙。
故事发生在日本虚构城市“友枝市”。木之本樱某天将父亲的古书籍打开，意外把封印在书中的卡牌释出。它们是由魔法师库洛·里多创造的称之为“库洛牌”的魔法卡牌，每张卡牌都有不同的能力和自我意识，卡牌的随意行动能够对世界造成灾难。为了防止灾难发生，樱受封印书之守护者“可洛贝洛斯”的委托下，将四散的卡牌回收至书中。卡牌在成功回收后，樱也能将卡牌的能力解放给自身使用，以方便回收下一张卡牌。
回收卡牌不久后，来了一位转校生，他是库洛·里多的母亲家族“李家”的后人——李小狼。李小狼在得知库洛牌的封印解除后，便来到日本打算回收卡牌。起初李小狼认为木之本樱无法胜任卡牌回收，故常和木之本樱争夺卡牌回收，但最后认同木之本樱回收卡牌的能力。在所有卡牌回收并写上名字后，封印书之另一守护者“月”便会进行审判，判断持有卡牌之人是否能成为卡牌的新主人。木之本樱在审判中改变原有的封印杖，创造出星封印杖，最终通过了审判者月的审判。
在通过审判后的第二学期，班中转入一位从英国来的留学生——柊泽艾力欧。与此同时，木之本樱所持有的库洛封印书变成为樱封印书，以及木之本樱受到不明的攻击。在应对攻击时，却发现审判过程中转变而成的星封印杖与库洛牌无法使用，而令木之本樱、守护者与大道寺知世遭遇危险，最后木之本樱使用新魔法阵并将库洛牌转变成樱之卡，解决当前危险。
积极开朗又有些“脱线”的高中女生本田透由于相依为命的妈妈意外车祸离世，被好心的爷爷收养。但是由于姑姑也要到爷爷家住，爷爷家的房子要改建，小透只好以到朋友家住的名义暂时在森林里搭起了帐篷住了下来，就是在这片草摩家的森林里，小透重新结识了班里的英俊“王子”草摩由希，也接触到了草摩家的秘密。
由于被诅咒的命运，草摩家的人过着痛苦的生活，每个人都有伤心的往事，积极又乐观的小透的出现给草摩家带来了笑容和希望。
【终极间谍的天才斗智之战】：在结城中校的力排众议下，日本陆军成立了间谍培训学校“D机关”。在这里，所有成员都被灌输了彻底否定军人信条的三大戒律：“不准死”、“不准杀人”、“不准被抓”。这样的组织自然成为他人的眼中钉，时时腹背受敌；然而“魔王”－结城中校以他犹如魔术师般的高超手腕交出间谍大战的丰厚战果，就连隐身在陆军内部的敌人也被他逐一消灭……从东京、横滨到伦敦、上海，紧张刺激的间谍殊死战，就此展开！
D机关（D機関）
传说中的间谍──“魔王”结城中校在日本陆军设立间谍养成学校兼谍报机关。“D机关”的存在只有极少数陆军高层才知道他们。于昭和12年（1937年）设立。
除结城中校外，无人知道D机关成员的真实身份，连成员自己也都以假名和假经历彼此往来，可说是一群带着假面具过日子的人。成员来自各方，学习各国语言，接受炸药、无线电、开锁、台球、变装等技术训练，甚至包括追求女性的方法，是一群为了国家，带着假面具过日子的人。
陆军内部似乎依旧对设立谍报员培训所一事极为反弹，因而删减原本的预算。这栋建筑是接收昔日陆军使用的老旧鸽舍，加以临时改建而成。后来陆续有人加入或退出，最后留下十二名学生（动画版为八名）。
不知从何时开始，各种具有超自然力量的“怪人”不断地出现并造成灾害，为了打击它们，由某富豪所创立的“英雄协会”开始招募全世界的能人异士成为职业英雄与怪人对抗。
故事主角埼玉是一名兴趣使然英雄，因为22岁时打败了怪人‘蟹人’并且拯救了小孩而燃起小时候想成为英雄的梦想，接下来持续三年的每一天不间断地做100下俯卧撑、100下仰卧起坐、100下深蹲和长跑10公里以及和怪人战斗、不断提升战斗力与身体机能，最终打破生物限制器的自我训练而变的强大，在无人知晓的情况下从事英雄的工作。最终掉光所有毛发成为了光头，但也因此获得最强的力量。
埼玉成为了最强英雄后，却因为力量太过强大，没了当初训练期间能打败怪人那激昂的情绪并渴望遇见能与之一战的强大对手。在一连串事件中，埼玉遇见了各式各样的英雄和怪人，收了魔鬼改造人杰诺斯做为徒弟，并加入英雄协会以获得官方认可。与众多英雄一起开始了对抗各种怪人以及灾难的生活。
一日，外星球的暗黑物质首领，全宇宙的霸主‘波罗斯’来到地球想找一个能和自己决一死战的强大对手，埼玉将和他爆发一场惊天动地的大战。
另一方面，英雄协会为了因应“地球不妙了”的末日预言而召开了一场征求高额悬赏犯及犯罪份子共同参与保卫地球及人类免于受怪人毁灭的会议。此时，一名名为‘饿狼’的武术天才现身，声称自己就是预言提到的神级怪人灾害并击败了在场所有的英雄与罪犯，其后饿狼便展开了“英雄狩猎”活动，目标是击败所有的英雄并成为最强的怪人。
与此同时，以‘怪人王远吕智’为首，名为“怪人协会”的怪人集团在一旁虎视眈眈，注意到了饿狼的英雄狩猎活动后打算将其招募为怪人协会干部，并即将向人类社会发动前所未有的战争。兴趣使然的英雄，埼玉与人类怪人饿狼两人之间即将展开价值观冲突的战斗。
昔日一场魔界大军与人界的战争“穷暮之战”中，人类锻造出诸多名唤“神诲魔械”的强力兵器。战争过后，这批为数众多的神诲魔械被交由护印师一族长久看守，其中最强兵器“天刑剑”分剑刃、剑柄和剑锷三部分，剑刃奉祀于锻剑祠中，而剑柄和剑锷分别由丹衡、丹翡这对兄妹守护。嗜于收藏宝剑的恶人蔑天骸企图将天刑剑据为己有，丹衡被其所杀、而剑柄亦遭夺去。
另一方面、因雨而向佛堂中的佛像借得一伞的旅人殇不患遇见在寺旁树下歇脚的神秘男子凛雪鸦，凛雪鸦表示取走神佛之物乃大不敬，如不报还一伞之恩可谓违背仁义。殇不患答应他、会协助往后旅途中所遇的第一人。之后、他在半路与遭蔑天骸所率恶党玄鬼宗追杀的丹翡相遇，便允诺助她取回剑柄。
为攻克蔑天骸及玄鬼宗的根据地七罪塔，凛雪鸦召来狩云霄、刑亥两位助力，而狩云霄的义弟卷残云、以及持有攻克七罪塔前迷宫所需法器“回灵笛”的杀无生亦加入队伍中。七人过关斩将、来到七罪塔前的迷宫，凛雪鸦、殇不患和丹翡先行一步进入塔内，丹翡本以为终能杀死蔑天骸报杀兄之仇，但她却连同殇不患一起遭凛雪鸦背叛，被蔑天骸押入大牢。在得知凛雪鸦实为盗贼后，丹翡感叹自己遇人不善，盛怒的殇不患破牢而出，自凛雪鸦处探知真正的剑锷藏于他处，再将消息告知丹翡。
另一方面、卷残云得知狩云霄的目的乃丹翡手中的剑锷，并因此与他决裂，在救出丹翡后、两人回到藏剑锷处，但却遭狩云霄和刑亥追杀，卷的右眼因而失明。得到天刑剑所有部件的蔑天骸拔起天刑剑，唤醒被封于剑下的魔神妖荼黎。取剑不成的凛雪鸦与蔑天骸厮杀，轻而易举将其击败，蔑天骸在破坏天刑剑后自尽。为阻止肆虐的妖荼黎，殇不患取出宝剑“劫荒剑”将其封印。
殇不患将封住魔神的剑交给丹翡与卷残云守护后、便继续踏上旅途。凛雪鸦见天色将变，欲赠纸伞一把聊表饯别，殇不患见风雨之大、持伞形同虚设，便将伞随意一扔。伞被风吹到佛像之旁，报还了一伞之恩。