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Après avoir passé les éliminatoires, vingt-quatre paires de jumeaux relèvent d'énormes défis sur un vaste terrain sportif. Sur cette île artificielle dans la baie de Tokyo, les liens entre jumeaux sont mis à l'épreuve jusqu'à leurs limites lors du Tournoi Athlétique Ultime ! Le tournoi est composé de trois parcours d'obstacles extrêmement difficiles. Le travail d'équipe et le drame humain se forgent au sein de ces épreuves éprouvantes. Les participants sont limités aux jumeaux, mais la définition exacte d'un "jumeau" n'est pas claire, ce qui conduit à des associations étranges. Par le passé, des participations controversées ont inclus des clones, des frères et sœurs adoptifs, ou des triplés qui se relaient.

Dans la ville de Fuyuki, la cinquième guerre du Saint Graal est sur le point de commencer, plongeant les participants dans un conflit brutal d'effusion de sang, de mort et de souffrance. La lycéenne Rin Toosaka a consacré toute sa vie à se préparer pour ce moment—devenir magus digne de servir en tant que Master dans la guerre. Après avoir invoqué son Servant, Archer, Rin fait enfin ses premiers pas dans la bataille. Lorsqu'elle découvre que l'un de ses connaissances, Shirou Emiya, a également été entraîné dans la guerre, Rin propose une alliance temporaire. Alors que leur lien se renforce, Rin commence à mieux comprendre le destin de Shirou et ses idéaux. Cependant, son propre objectif demeure inchangé : s'emparer de l'artefact tout-puissant qui exauce les vœux de ceux qui sortent victorieux du conflit—le Saint Graal.