Seis meses después de los sucesos de Fate/stay night, Bazett Fraga McRemitz, miembro de la Asociación de Magos, despierta en el cuarto día de una Guerra del Santo Grial que no recuerda haber empezado, vinculada a un nuevo Servant llamado Avenger. Al otro lado de la ciudad, la tranquila vida de posguerra de Shirou Emiya se ve interrumpida por sucesos extraños que no deberían ser posibles con la Guerra del Grial ya terminada. Cuando ambas historias convergen, Bazett y Shirou descubren que están atrapados en el mismo bucle de cuatro días, repitiéndose sin fin hasta que averigüen qué lo provoca.