혈귀로 변해버린 여동생 네즈코를 인간으로 되돌릴 단서를 찾아 비밀조직 귀살대에 들어간 탄지로. 젠이츠, 이노스케와 새로운 임무 수행을 위해 무한열차에 탑승 후 귀살대 최강 검사 염주 렌고쿠와 합류한다. 달리는 무한열차에서 승객들이 하나 둘 흔적 없이 사라지자 숨어있는 식인 혈귀의 존재를 직감하는 렌고쿠. 귀살대 탄지로 일행과 최강 검사 염주 렌고쿠는 어둠 속을 달리는 무한열차에서 모두의 목숨을 구하기 위해 예측불가능한 능력을 가진 혈귀와 목숨을 건 혈전을 시작하는데...
마술사 "마스터"와 영령 "서번트"가 모든 소원을 이뤄주는 「성배」를 둘러싸고 싸우는 「성배전쟁」이 벌어진 지 10년. 지난 「성배전쟁」의 참가자인 에미야 키리츠구의 양자, 에미야 시로는 그를 연모하는 소녀, 마토 사쿠라와 함께 평온한 나날을 보내고 있었다. 그러나 「성배전쟁」은 다시 시작되고 곳곳에서 벌어지는 살인사건으로 후유키 시는 불온한 기운에 휩싸인다. 시로는 사쿠라를 자기 집에 머물게 하기로 결정하고, 자신이 소환한 서번트인 세이버와 함께 마술사인 토오사카 린과 동맹을 맺고 「성배전쟁」에 나서기로 결심하는데... 하지만 이 싸움은 암약하는 자들에 의해 크게 일그러지기 시작한다.