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。
小野大辅 上田丽奈 石田彰 中村悠一 铃木绘理 齐藤贵美子 松冈祯丞 鸟海浩辅 山下大辉 能登麻美子 土师孝也 本田贵子 夏川椎菜 奥谷枫 大原沙耶香 梶裕贵 小松未可子 深见梨加 渡边明乃 青山穰 石上静香 相马康一 樱井浩美 手冢宏通 日冈夏美 Lynn 木岛隆一 石冢运升
小野友树 梶裕贵 高木涉 樱井孝宏 小野大辅 森川智之 能登麻美子 川岛得爱 志村知幸 石冢运升 丰口惠美 大川透 森久保祥太郎 原纱友里 山口胜平 大原沙耶香 岛村侑 佐藤利奈 千叶繁 坂本千夏 加濑康之 谷山纪章 远近孝一 伊藤静 河西健吾 石井真 鹤冈聪 下和田裕贵 滨田贤二 川田妙子 宝龟克寿 楠见尚己
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