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A história centra-se na Guerra do Santo Graal e explora a relação entre Emiya Shirou e Matou Sakura, dois adolescentes que participaram neste conflito. A história continua imediatamente depois de Fate / stay night: Heaven's Feel I. Presage Flower, seguindo Shirou como ele continua a participar na Guerra do Santo Graal, mesmo depois de ser eliminado como um mestre.
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A história segue Matou Sakura, a irmã mais nova de Tohsaka Rin, que quando jovem foi adotada pela família Matou. Assim, ela teve que passar por um torturante treinamento para desenvolver seus poderes mágicos. Sakura não deveria se envolver na Guerra do Santo Graal, mas devido ao seu envolvimento romântico com Shirou, sua mente quebra e ela fica louca. Sakura se torna uma líder da Guerra do Santo Graal e força Shirou em um Destino Cruel.
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Kiritsugu e o jovem Shirou buscam uma forma de salvar o mundo, mesmo que isso signifique sacrificar alguns poucos pelo bem maior. Durante uma enorme catástrofe que engoliu Fuyuki, os dois encontram o último verdadeiro milagre da humanidade: a Criança de Deus. Dizem que as Crianças de Deus tem o poder de realizar qualquer desejo, mas seus poderes desaparecem com o passar dos anos. Numa guerra contra o tempo, Kiritsugu tenta encontrar a forma de utilizar a Criança, mas acaba tendo que deixar essa tarefa com o seu filho Shirou. Anos depois, os dias de felicidade na vazia Fuyuki chegam ao fim quando um ritual de matança recomeça após a Criança de Deus ser capturada: A Guerra do Cálice Sagrado. Tendo perdido tudo, Shirou está pronto para sacrificar seus ideais e todo mundo para recuperar a ferramenta de desejos onipotente… não, para resgatar a sua amada irmã.