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Há 10 anos atrás, na cidade de Fuyuki, um jovem garoto se viu no meio de um grande incêndio que matou seus pais e consumiu grande parte da cidade. Quando ele estava morrendo, um homem o salvou. Agora este garoto, Shirou Emiya, é um mecânico amador que frequenta a escola em Homurabara Gakuen. Shirou também mostra ser um pouco mágico, mas suas habilidades não chegam aos pés das de seu pai adotivo. Enquanto isso, a cidade está começando a sofrer com vazamento de gases e homicídios e, com o senso de justiça de Shirou aflorando, o que alguém como ele poderia fazer?

Rin parece ter problemas com seu servo por não ser poderosa o suficiente para invocar um servo mais poderoso. Ayako pede para Shirou ficar de olho no irmão de Sakura, Shinji Matou, mas Shinji acaba tirando vantagem da natureza solícita de Shirou e o faz cuidar do clube de arqueirismo. No entanto, Shirou vai verificar um barulho e testemunha uma luta entre dois servos.

Shirou ainda está perdido e muito confuso depois de ver uma elegante guerreira com o nome Saber aparecer diante dele e o escolher como seu mestre. Shirou ainda nem teve a chance de entender a situação e Saber já continua sua luta com Lancer, mas antes que as coisas fiquem sérias demais Lancer vai embora. Saber então escolhe lutar com Rin e sua serva, mas acaba aceitando a ordem de Shirou para parar. Shirou então aprende sobre a Guerra do Cálice Sagrado, na qual ele foi parar.

Depois do encontro com Kirei Kotomine, Shirou e Rin deixam a igreja e procuram outra mestre chamada Illyasviel Von Einzbern. Saber é obrigada a entrar em combate contra um servo muito mais forte chamado Beserker. Com o ferimento anterior de Saber ainda causando problemas e reduzindo sua capacidade de luta, será que ela tem alguma chance de vencer?

Shirou apresenta Saber para Sakura e sua professora como uma parente distante. A professora testa as habilidades de Saber para defender Shirou e permite que ela fique na casa com ele. Rin e Archer estão conversando e ele pergunta porque ela não vai atrás de Shirou, um alvo fácil de eliminar. Ela diz que se ele aparecesse em sua frente sem saber disso, ela iria matá-lo. Na escola algumas garotas faltam pelo segundo dia seguido. Depois da aula, Shirou ficou para investigar esses desaparecimentos e procura Rin. Rin o confronta e o chama de idiota por andar por ai sem sua servo e o ataca. Shirou foge, se tranca na sala de aula e faz a única mágica que sabe e fortifica uma mesa para se proteger do ataque de Rin.

Durante sua luta com Rin, Shirou é distraído pelo grito vindo do andar de baixo e encontra uma garota inconsciente. Enquanto Rin tenta curá-la, uma adaga voa pela porta aberta, mas Shirou a bloqueia com seu braço. Então uma servo aparece usando correntes como arma e começa a atacar Shirou. A servo está quase o matando quando Rin quebra as correntes e liberta Shirou, fazendo a servo recuar. Shirou segue para casa com Archer como seu acompanhante até que ele chegue com segurança até Saber. Archer fala para Shirou sobre seu método e plano para participar da Guerra do Cálice Sagrado e menciona que ouviu sobre a luta com a servo, que se chama Rider. Na casa de Rin, Shirou e Rin se dão uma trégua temporária para encontrar o mestre de Rider.

Saber briga com Shirou por ele não a ter invocado na luta contra Rider. Depois de descobrir que Shirou consegue detectar feitiços mágicos relacionados com o campo de força na escola, Rin e Shirou se unem para destruir a maioria deles. No entanto, Shirou acaba encontrando um enorme círculo mágico e quando tenta tocá-lo leva um choque de mágica. Ele então vê Rider e, antes que ela faça qualquer coisa, Shinji entra e ordena que Rider recue, convidando Shirou para jogar.

Shinji convida Shirou para formar uma aliança para seguir Rin, mas ele recusa. Shinji diz que, por não saber fazer mágica, outros mestres não conseguem detectá-lo e portanto não foi ele quem o mestre de Rin detectou. Antes de Shirou partir Shinji fala sobre como um dos mestres se instalou no templo, e Shirou conta para Saber e Rin. Shirou e Rin concordam que é melhor não agir até que saibam quem é o servo do mestre, então a teimosa Saber segue para o templo escondida.

Saber quer muito ir ao templo, mas Shirou insistiu para que eles não fossem porque parece ser muito perigoso. No entanto, assim que Shirou dorme ela vai sozinha até lá e é confrontada pelo servo identificado como Assassin. Diferente dos outros servos, Assassin revela sua verdadeira identidade para Saber, como Sasaki Kojirou. A conversa termina por aí e a luta começa, e enquanto isso Rider passa por eles e entra no templo para lutar com uma mulher. Quem será ela?

Shirou tem seu primeiro treinamento com Saber mas perde feio dela em batalha. Naquele mesmo dia, Shirou encontra Ilva na cidade e eles conversam no parque sobre poderes. Depois que ele volta para casa Rin fala que Shinji a convidou para se unir à ele, mas que ela recusou. Archer diz que Shirou é um fracassado e jamais poderia derrotar um servo, mas lhe deixa um conselho “se você não consegue derrotar alguém, imagine algo com que possa derrotá-lo, por isso é tudo o que você conseguirá fazer”.

Depois de uma manhã de treinamento com Saber, Shirou é arrastado por Rin para treinar mais um pouco. Shirou então recebe uma ligação de Shinji pedindo para encontrá-lo na escola. Como parecia urgente, Shirou parte imediatamente e fica chocado com o que vê. Shinji mostra suas verdadeiras cores e diz que quer mostrar para Rin que ele é superior a Shirou e que poderia derrotá-lo ali. O que vai acontecer com Shirou?

Shirou está muito preocupado com o bem-estar dos estudantes de da escola depois dos eventos ocorridos, e está especialmente preocupado com Taiga, que parece estar se recuperando bem. Shirou agora está determinado a colocar um fim nisso e planeja ir atrás de Shinji antes que ele faça outro campo de força e com a ajuda de Saber eles partem. No entanto, antes disso Shirou tem uma importante informação para revelar para Rin sobre a servo de Shinji, Rider, sobre o Nobre Fantasma que ela usou.

Shirou adormece e sonha com um flashback do passado de Saber. Nós vemos Saber com roupas antigas caminhando em direção a uma espada em uma pedra. Saber acorda e percebe que Shirou sumiu. Ela conta para Rin e, apesar da objeção de Archer, eles o procuram suspeitando que tenha sido sequestrado por um inimigo. Shirou acorda na casa de Ilya como seu prisioneiro. Ilya diz o quanto ela quer que Shirou se torne dela.

Rin, Saber e Archer estão do lado de fora da mansão de Ilya quando a vêem saindo e decidem entrar para resgatar Shirou. Rin pede para Archer combater Berserker sozinho enquanto os outros escapam. Antes que eles saiam Archer grita por Emiya Shirou. Shirou para e Archer lhe diz “faça isso direito. Não é você que luta. Você é quem cria.. Acabe com os pensamentos irrelevantes. Só há uma coisa que você pode fazer. Comande essa coisa!” Archer então faz parte de uma parede cair e os separa, então Shirou pode fugir. A luta entre Archer e Berserker começa.

Archer foi derrotado pelo invencível Beserker e agora Shirou, Saber e Rin estão fazendo o possível para escapar do mesmo destino. Eles encontram um abrigo onde podem se esperar por um tempo, porque Shirou tem que descobrir um jeito de renovar o poder mágico de Saber enquanto Ilya procura por eles. Com o sacrifício de Archer, Rin está ainda mais determinada a sair dessa viva e elabora um plano.

A batalha está no momento da virada, onde Rin está prestes a ser esmagada por Beserker e Saber não pode salvá-la. Como última tentativa, Saber decide usar seu Nobre Fantasma para derrotar Beserker, não importa como isso a afete. Percebendo que Saber poderia desaparecer por causa disso, Shirou a obriga a parar e decide assumir o problema para si.

Shirou acorda depois de ter outro sonho com o passado de Saber e fica visivelmente abalado com o que aconteceu. Naquela manhã, durante o café, Ilya é apresentada por Rin como outra pessoa que ficará na casa por um tempo e Taiga parece aceitar isso bem. Surgem notícias de mais vazamentos de gás, o que significa que o mestre em Ryudouji está cumprindo seus planos. Enquanto Shirou, Rin e Saber planejam o que fazer, Ilya entra na sala com uma informação sobre o assunto.

Shirou, Saber e Rin estão chegando no templo quando Assassin aparece para lutar com Saber. Shirou e Rin seguem e encontram Sakura vestindo roupas estranhas e sofrendo. Quando eles se preparam para descer, são atacados pelas costas. No entanto, Shirou percebe e bloqueia o ataque com as espadas de Archer. Souichirou aparece e Shirou diz para Rin resgatar Sakura enquanto eles lutam. Enquanto isso, a luta entre Saber e Assassin continua e Assassin conta para Saber que sua identidade, Sasaki Kojirou, na verdade não existe. Ele ser um ótimo espadachim é fruto da mente das pessoas. Ele diz que não deseja o Cálice Sagrado e que seu verdadeiro desejo era lutar com um oponente à altura. Caster vê tudo sorrindo e tudo parece acontecer como planejado.

A luta de Saber com Assassin e a luta de Shirou com Souichirou chegam ao clímax. Souichirou derrota Shirou e o manda para onde Rin e Sakura estão, restando à Saber vencer o Assassin a tempo de salvar a todos. Saber não está conseguindo derrotar Caster, quando de repente a luta é interrompida por um servo desconhecido. Saber parece conhecer o servo, que depois se descobre ser o oitavo servo na Guerra do Cálice Sagrado. Com o surgimento do oitavo servo, Saber finalmente revela para Shirou os chocantes eventos da Guerra do Cálice Sagrado anterior.

Shirou takes Saber out on a date to try and convince her not to use the Grail and go back to her own time, but to stay in this time instead.

With the appearance of the mysterious Archer-class Servant, Saber tells Shirou to escape while keeps him occupied. However Shirou, knowning that Saber couldn't defeat him before, foolishly tries to attack him head on and with the snap of his fingers Shirou is quickly defeated. Will Saber have the strength to defeat him, esepecially now knowing his true identity; owner of all the world's treasures, the King of Heroes of ancient Uruk, Gilgamesh.Kirei Kotomine also seems to play a major part in the Holy Grail War and it's not because he's the mediator.

Saber can't seem to get Shirou of her mind but that is short lived when she finds out from Rin that Ilya has a terrible fever and may not last long. Meanwhile Shirou is still missing, having not returned from the night before and Saber knows that there's only one place he could be, the church. It doesn't take long for Saber to notice the wounded Shirou on the floor but she's unable to do anything because she's greeted by Lancer. Saber must decide whether she truly desires the Holy Grail as she's given a means in acquiring it.Kirei Kotomine reveals what really happened at the end of the last Holy Grail War and what will Shirou and Saber do knowing the true meaning of the Holy Grail?

After the incident at the church, Saber and Shirou return home only to find Rin on the floor and badly injured. It turns out that Kirei Kotomine attacked her, while Shirou and Saber were occupied and that's not all because he has also taken Ilya and plans to make her the sacrifice for the Holy Grail. Aided with Rin's final advice, they both head to Ryudouji where Kirei is going to summon the Holy Grail. Saber will battle again with Gilgamesh and Shirou will have to leave her and deal with Kirei, who obviously has some sort of personal vendetta against Shirou.The final fight has just begun.

Shirou has found himself trapped in the same place Kirei Kotomine trapped Shirou's father. Surrounded by death Shirou must escape this place through will power alone, if he want's to end this Holy Grail War once and for all. Saber is also having trouble defeating the somewhat unbeatable Gilgamesh yet there is hope, with the power of "Avalon" The Ever-Distant Utopia.What will truly come about from destroying the Holy Grail? Will things be able to go back to normal?