動畫以OVA形式分三卷推出，每卷包含4話，第一卷《1st Season》于2011年8月14日發售，第二卷《2nd Season》于2011年10月28日發售，第三卷《3rd Season》于2011年12月31日發售，合計全12話。
另有《EX Season》作為2011年11月26日發售的《TAKEMOON 武梨繪里TYPE-MOON作品集 特別版》的OAD收錄、《Special Season》于2013年1月16日發售的TYPE-MOON10周年紀念活動收錄BD BOX《TYPE-MOON Fes. -10TH ANNIVERSARY EVENT-》中收。
在一間由貓經營的酒吧里，有一群貓在談話。從他們的言談之間可以隱約得知，一場可能會打破時空之間界限的狂兇之盛宴即將到來。
冬木市再度舉行了讓魔術師為之瘋狂得“圣杯爭霸戰”，參與爭奪的衛宮士郎、Saber、遠坂凜、Archer、葛木宗一郎、Rider等人，結成不同的小組并且對圣杯都抱著勢在必得的野心。然而出人意料的是，這一次必須改以網球、花牌、抽卡片、黑胡子等民間游戲來決定勝負。
就在所有參賽者紛紛于游戲中精疲力盡之時，圣杯赫然出現在大家面前。對圣杯痛恨無比的衛宮士郎，決定以投影出來的武器將之毀滅，不料被劈開的圣杯中竟然冒出了原本不屬于這個時空里的貓姬！
隨著貓姬的到來，一場將不同次元里的魔術師糾纏在一起的廝殺，無可避免地正式揭開了序幕。