Em 2016 d.C., a base da humanidade é queimada pelo Rei Mago Salomão. A Chaldea, uma organização secreta de magos encarregada de salvaguardar o futuro da humanidade, detectou a extinção da humanidade em 2015. Isso levou a uma operação para corrigir as Singularidades na história criadas pelos Graais Sagrados espalhados pelo tempo e espaço — a Operação Grand Order.
Usando a tecnologia de viagem no tempo Rayshift, o último mestre da Chaldea, Ritsuka Fujimaru, junto com sua semi-servente Mash Kyrielight, viajou através de seis Singularidades e as resolveu. Agora, eles partem para sua missão mais perigosa até agora: uma civilização da Era dos Deuses, a Mesopotâmia em 2655 a.C. Ao chegarem, Ritsuka e Mash encontram a terra infestada por Bestas Demoníacas que atacam pessoas e assentamentos. Em meio ao caos e medo, ergue-se o último bastião da humanidade — Uruk, uma cidade fortificada que serve como linha de frente na batalha contra essas bestas. O esforço defensivo é liderado por ninguém menos que o Rei Gilgamesh, o Rei dos Heróis, que convocou Espíritos Heroicos e assumiu o papel de mago para proteger sua cidade.
Juntamente com Gilgamesh e os servos convocados, Ritsuka e Mash devem defender Uruk do ataque das bestas mágicas e derrotar a Aliança das Três Deusas, que busca erradicar todos os humanos. Enquanto isso, uma ameaça ainda maior se agita sob Uruk, despertando aos poucos.
