Pada tahun 2015, Organisasi Keamanan Chaldea mengerahkan para ahli dari bidang magis dan duniawi untuk mengamati masa depan umat manusia guna mengantisipasi kemungkinan kepunahan. Kelangsungan hidup umat manusia tampaknya terjamin hingga abad berikutnya—hingga keputusan tiba-tiba berubah, dan kini pemusnahan spesies tersebut menanti di akhir tahun 2016. Penyebabnya belum diketahui, tetapi tampaknya terkait dengan kota Fuyuki di Jepang dan peristiwa tahun 2004 selama Perang Cawan Suci Kelima.
Sebagai tanggapan, Chaldea memanfaatkan teknologi Rayshift, sebuah metode eksperimental untuk perjalanan waktu. Dengan teknologi tersebut, Ritsuka Fujimaru, seorang pemuda yang baru direkrut ke dalam organisasi, dan gadis misterius Mash Kyrielight, dapat melakukan perjalanan kembali ke tahun 2004 dan menemukan cara untuk menyelamatkan umat manusia. Sebuah perintah agung untuk melawan takdir telah dideklarasikan—sebuah perintah untuk mengubah masa lalu dan memulihkan masa depan.
