动画以OVA形式分三卷推出，每卷包含4话，第一卷《1st Season》于2011年8月14日发售，第二卷《2nd Season》于2011年10月28日发售，第三卷《3rd Season》于2011年12月31日发售，合计全12话。
另有《EX Season》作为2011年11月26日发售的《TAKEMOON 武梨绘里TYPE-MOON作品集 特别版》的OAD收录、《Special Season》于2013年1月16日发售的TYPE-MOON10周年纪念活动收录BD BOX《TYPE-MOON Fes. -10TH ANNIVERSARY EVE桃花直播视频免费下载观看NT-》中收。
在一间由猫经营的酒吧里，有一群猫在谈话。从他们的言谈之间可以隐约得知，一场可能会打破时空之间界限的狂凶之盛宴即将到来。
冬木市再度举行了让魔术师为之疯狂得“圣杯争霸战”，参与争夺的卫宫士郎、Saber、远坂凛、Archer、葛木宗一郎、Rider等人，结成不同的小组并且对圣杯都抱着势在必得的野心。然而出人意料的是，这一次必须改以网球、花牌、抽卡片、黑胡子等民间游戏来决定胜负。
就在所有参赛者纷纷于游戏中精疲力尽之时，圣杯赫然出现在大家面前。对圣杯痛恨无比的卫宫士郎，决定以投影出来的武器将之毁灭，不料被劈开的圣杯中竟然冒出了原本不属于这个时空里的猫姬！
随着猫姬的到来，一场将不同次元里的魔术师纠缠在一起的厮杀，无可避免地正式揭开了序幕。