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 EVENT-》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。
逢坂良太 木村良平 濑户麻沙美 户松遥 小野友树 茅野爱衣 福圆美里 吉野裕行 中村悠一 浪川大辅 寿美菜子 悠木碧 羽多野涉 堀江由衣 安野希世乃 福山润 宫野真守 细谷佳正 梶裕贵 小野大辅 水树奈奈 丰崎爱生 子安武人 游佐浩二 武虎 黑田崇矢 关俊彦
福山润 内田真礼 赤崎千夏 浅仓杏美 上坂堇 长妻树里 仙台惠理 大塚芳忠 保志总一朗 岩男润子 福原香织 天野由梨 冲佳苗 井上喜久子 设乐麻美 山冈百合
矢岛晶子 楢桥美纪 藤原启治 兴梠里美 真柴摩利 林玉绪 一龙斋贞友 佐藤智惠 玄田哲章 茶风林 钉宫理惠 内海贤二 黑泽宗子 椿鬼奴 近藤春菜 伊藤敦子 春菜爱 白石凉子 神田朱未 石井康嗣 青木沙耶香 大西健晴 仓田雅世 楠见尚己 菅原淳一 猪口有佳 神奈延年