La trama di Fate/hollow ataraxia si svolge circa sei mesi dopo gli eventi di Fate/stay night. Come la sua controparte precedente, la storia è ambientata nella Città di Fuyuki. Bazett Fraga McRemitz, membro dell'Associazione dei Magi e maestra nella Quinta Guerra del Santo Graal, si risveglia nel quarto giorno della Quinta Guerra del Santo Graal con un nuovo servitore, Avenger, e senza ricordi di ciò che le era successo in precedenza. Lei e Avenger partono per combattere e vincere la Guerra del Santo Graal. Nel frattempo, Shirō Emiya conduce una vita tranquilla con tutti i suoi amici della Quinta Guerra del Santo Graal. Dopo che uno dei suoi esperimenti cambia il tempo e lo spazio, Rin Tohsaka parte per l'Associazione dei Magi in Inghilterra per sistemare le cose. I Servants percepiscono un nuovo pericolo, mentre creature oscure compaiono poco dopo. Shirō, in qualità di precauzione, parte per assicurarsi che nessuno sia in pericolo e, invece, si ritrova spesso a incontrare una misteriosa ragazza, Caren Ortensia. Sia Bazett sia Shirō si ritrovano in un loop temporale che dura quattro giorni, all'inizio del quarto giorno della Quinta Guerra del Santo Graal. Ogni volta che muoiono o sopravvivono quattro giorni, si risvegliano sempre nel primo giorno del loop, consapevoli di cosa sia successo loro fin dall'inizio del ciclo temporale. Determinati a porre fine al loop, Bazett, Avenger e Shirō lottano per scoprire la verità su ciò che provoca i quattro giorni senza fine.