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La storia ruota attorno a Shirou Emiya, un adolescente laborioso e onesto che entra involontariamente nella quinta iterazione di una battaglia royale all'ultimo sangue chiamata Guerra del Santo Graal, in cui i combattenti combattono con la magia e gli Eroi di tutta la storia per avere la possibilità di esaudire i propri desideri. Rimasto orfano e unico sopravvissuto a un enorme incendio nella città di Fuyuki da bambino, Shirou è stato accolto da un mago in pensione di nome Kiritsugu Emiya, che è morto qualche anno dopo. Il senso di responsabilità di Shirou nei confronti di coloro che sono morti e la sua stessa salvezza grazie a suo padre hanno generato in lui un forte desiderio di giustizia e di pace. Così, allena seriamente il suo corpo e le sue minuscole capacità magiche con l'obiettivo di aiutare gli altri, anche se spesso le persone abusano della sua generosità. Una sera, Shirou si imbatte inaspettatamente in due guerrieri, Archer e Lancer, che stanno combattendo nella sua scuola. Viene attaccato e quasi ucciso da Lancer, ma il maestro di Archer, Rin Tohsaka, riesce a rianimarlo poco prima della morte. Tuttavia, Lancer attacca di nuovo e, poco prima che Shirou stia per essere ucciso, evoca accidentalmente il suo servitore, Saber, che gli salva la vita. Con questa evocazione, i segni del Sigillo del Comando appaiono sulla mano di Shirou, formalizzando il suo ingresso come Maestro nella Guerra del Santo Graal.

Mentre Saber costringe Lancer a fuggire, ingaggia un combattimento con Archer, ma Shirou la ferma accidentalmente con la sua magia vedendo Rin, sua compagna di scuola. Shirou e Rin decidono di allearsi per combattere contro altri maghi. Grazie al sacerdote Kirei Kotomine, Shirou viene a conoscenza del contesto della Guerra del Santo Graal. Anche se inizialmente esitante, decide di partecipare per evitare che in futuro si verifichino catastrofi dovute ai desideri concessi dal Santo Graal.

Mentre la guerra continua, Shirou inizia a sviluppare le proprie capacità di mago imitando le abilità di Archer e Rin nota notevoli somiglianze tra i due. Tuttavia, durante una battaglia contro il servo Caster nel tentativo di salvare il suo guardiano Fujimura, Shirou perde il controllo di Saber, che viene imprigionato da Caster. Shirou giura di combattere con la sua forza magica per fermare la guerra e salvare i suoi amici. Archer tradisce Rin durante un combattimento contro Caster, ma Rin si allea con Shirou. Con l'aiuto di Lancer, il duo riesce a liberare Saber da Caster che viene poi ucciso.

Per avere più alleati, Rin e Shirou decidono di allearsi con Illyasviel von Einzbern e il suo servitore Berserker. Tuttavia, Gilgamesh, l'ex servitore di Kotomine, arriva e uccide sia Illya che Berserker prima che Rin e Shirou possano fermarlo. Alla villa di Illya, Archer sfida Shirou a un combattimento, sperando di distruggere gli obiettivi di Shirou di diventare un eroe. Confusa, Saber chiede di sapere quali sono le sue vere intenzioni e Archer rivela di essere una versione di Shirou del futuro, che è diventato uno spirito eroico dopo essere stato disilluso dalla strada che aveva intrapreso. Tuttavia, Shirou accetta il suo futuro a prescindere dai rimpianti di Archer, decidendo di attenersi agli ideali di Kiritsugu di essere un eroe. Gilgamesh cerca di uccidere Archer e Shirou, ma il primo si sacrifica per proteggere il secondo. Gilgamesh prende il cuore di Illya e progetta di usare il suo altro maestro Shinji Matou per evocare il Santo Graal corrotto. Per seguire le speranze di Archer, Rin passa a Shirou il suo mana per combattere Gilgamesh e replicare i poteri di Archer. Mentre Shirou sta per uccidere Gilgamesh, Archer usa le sue ultime forze per sferrare l'attacco finale al loro nemico e aiuta Saber a distruggere il Santo Graal. Con la fine della guerra e la scomparsa dei servitori, Shirou e Rin si trasferiscono a Londra per imparare di più sulla magia e Shirou giura ancora una volta di mantenere gli ideali di Kiritsugu.

In una scena post-credits, Archer appare in un'altra dimensione e scompare mentre ricorda le parole del suo io passato, proprio mentre un'altra persona più giovane e incappucciata appare nello stesso campo.