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。
演员：梶原岳人 岛崎信长 诹访部顺一 优木加奈 福山润 室元气 村瀬步 日野聪 水树奈奈 安野希世乃 松田健一郎 森川智之 小野大辅 西明日香 寺岛拓笃 鸟海浩辅 小西克幸 小林优 浪川大辅
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演员：松本梨香 大谷育江 山下大辉 花泽香菜 中村悠一 林原惠美 三木真一郎 犬山犬子 小野大辅 堀内贤雄 饭冢雅弓 上田祐司 丰口惠美 小樱悦子 牧口真幸 寺崎裕香 梶裕贵 伊濑茉莉也 真堂圭 冈本信彦 上田丽奈 石川界人 菊池瞳 武隈史子 小林优子 丰岛雅美 津村真琴 高阶俊嗣 古岛清孝 森川智之 中川庆一 国立幸 木下纱华 齐藤次郎 樱井智 铃村健一 折笠富美子 千叶进步 小野贤章 悠木碧 小仓唯 井上麻里奈 铃木达央 松冈祯丞 吉永拓斗 下野纮 津田匠子 凤芳野 奈良彻 野岛裕史
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演员：皆川纯子 置鲇龙太郎 近藤孝行 甲斐田幸 川本成 高桥广树 津田健次郎 小野坂昌也 喜安浩平 尾小平志津香 高桥美佳子 川原庆久 森山荣治 铃木千寻 木村亚希子 诹访部顺一 保志总一朗 木内秀信 鹤冈聪 浪川大辅 石田彰 鸟海浩辅 佐佐木望 森久保祥太郎 丰永利行 乡田穗积 水野理纱 松山鹰志
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