Uma guerra é travada a cada 10 anos para obter o Santo Graal. São invocados sete espíritos heroicos que agem como servos durante essa batalha sagrada. Emiya Kiritsugu é um dos mestres envolvidos nessa guerra, ele deseja a paz mundial, mas seus métodos para consegui-la são frios e desvirtuados.

Em uma época de revolução industrial, uma horda de mortos-vivos tomou o mundo de assalto. Esses monstros, batizados de "Kabane", só podem ser mortos se seus corações revestidos de ferro forem atravessados. Para sobreviver, o povo da terra de Hinomoto construiu estações-fortalezas, e se comunicam com outras estações através de locomotivas fortificadas chamadas de "Hayajiro". Ikoma é um jovem ferreiro que aguarda por uma chance de demonstrar a força de sua arma especial anti-Kabane. Essa oportunidade surge quando um Hayajiro chega em sua estação, carregando uma misteriosa garota chamada Mumei.