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　故事设定在一场警察无法应对的世界范围内的治安危机当中，产生了一种在法律限制内解决个人或组织的委托以弥补警察不足的职业——武侦。而在专门培养“武侦”的特殊学校东京武侦高中里，侦探科二年级的男主角・远山金次，因为拥有某种神秘体质，在某种契机之下会让大脑细胞活性化。对于这一点他始终希望对其他人保密，只祈求能过平凡的校园生活。可惜事与愿违，某天在上学途中他被卷入一起炸弹攻击，更因此和强袭科的超精英——神崎‧H‧亚莉亚相遇。就这样，被迫与S级的最强武侦亚里亚组队的金次，他的平凡日常生活逐渐地离他而去。

东京武侦高校，是培育行使武力的侦探——通称“武侦”的特殊教育机关。那里有着被称作“战姐妹”的前辈后辈一对一长期训练制度。在与憧憬的最强武侦亚里亚前辈结下了战姐妹契约后，吊车尾的最弱武侦明里，用她那小小的手拿起了枪。

21世纪人类开始开发宇宙。但是宇宙生物群(通称宇宙怪兽, STMC)，一种以恒星作载体繁殖的生物来袭，使人类文明受到重大威胁。　　为了对抗宇宙怪兽，机械人兵器和宇宙战舰持续开发中，由地球上的机械人训练学校找出优胜的驾驶员控制。　　2015年，在人类史上第一次和宇宙怪兽接触后，故事的女主角高屋法子进入了机械人训练学校接受训练，驾驶人类对抗宇宙怪兽最强武器Gunbuster，开始了她守护地球使命的故事。

过去，在被称作冬木的城市曾举行过由七位魔术师与英灵参加的“圣杯战争”。然而趁着第二次世界大战的混乱，“某位魔术师”强行夺走了圣杯。数十年过去，千界树一族高举那个圣杯为象征，叛离了魔术协会，宣布独立。愤怒的魔术协会派遣了刺客，但他们却遭到了召唤出的Servant的反击。——对抗Servant的是Servant。“圣杯战争”的系统被变更。以罗马尼亚的图利法斯为舞台，前所未有的七对七规模的战争“圣杯大战”拉开了帷幕。

高中毕业，心中留存着通过游泳联系起来的羁绊，向着各自的未来迈出步伐的遥等人。遥在东京和曾经一起游过接力赛的旭重逢了。遥中学时的记忆被唤醒。在他的心中苏醒的，是“那时”郁弥的身姿。和遥一起上京的真琴，开始向新的梦想迈进，而出发前往悉尼的凛，则在新天地迎来了意外的邂逅。在他们各自的未来前方等待着的，会是新的挑战吗？还是说，是与残存的过去之间的对峙……？