宁静祥和的见泷原市，全靠魔法少女鹿目圆（悠木碧 配音）、美树沙耶香（喜多村英梨 配音）、巴麻美（水桥香织 配音）以及佐仓杏子（野中蓝 配音）守护，一次次击败了人类灵魂深处产生的“梦魇”，全力包围着她们最为珍惜的城市、家人和朋友。这一天，美丽女孩晓美焰（斋藤千和 配音）作为转校生来到小圆的班级，小圆她们意外发现，晓美竟然也是魔法少女中的一员。在此之后，五位魔法少女同心携手，解决了梦魇接二连三带来的危机。她们的友情笃深，相处分外融洽，但是晓美却对周遭无时不在的违和感隐隐感到不安。某天，她要求杏子和她去风见野一探究竟，然而两人大费周章，竟然怎么也无法走出见泷原。
晓美终于意识到，她和朋友们似乎被某人封在了魔女的结界中。无休止的轮回以及爱欲滋生的幻象，让少女们陷入无休止的混乱深渊……

顺利升入高中的少年富樫勇太（福山润 配音）在初中时代曾是暗黑系的中二病患者，当年他自称黑炎之主人，自我感觉良好地度过了无厘头的中学生活。但是此刻他“痛改前非”，将这段经历看作不堪回首的耻辱过去，为此甚至不惜报考一个离家很远没有人认识自己的高中。在新的学校，勇太如愿以偿结 交了一色诚（保志总一朗 配音）、丹生谷森夏（赤崎千夏 配音）以及学姐五月七日茴香（浅仓幸美 配音）这样稍显正常的朋友，也准备和心仪的女孩大谈一场浪漫恋爱。但是令他备为挠头的是，楼上新搬来的住户兼同班同学小鸟游六花（内田真礼 配音）却是一个中二病的深度患者。小女孩每天唧唧歪歪，怪力乱神。好不容易摆脱初中阴影的勇太，高中恋爱之梦日渐飘渺……

本作主人公冈部伦太郎（宫野真守 配音）是个患有严重中二病的大学生，自称为“凤凰院凶真”的他和伙伴们组成了“未来发明研究所”，在位于秋叶原的一个简陋实验室内进行各种古怪发明和调查。
2010年7月28日这天，冈部和青梅竹马真由理（花泽香菜 配音）一同去了科学讲义会场，在那里，他们遇见了天才少女牧濑红莉栖（今井麻美 配音）。让人意想不到的事情发生了，冈部在会馆楼道内听到一声惨叫，他闻声而至，发现了倒在血泊中的牧濑。冈部用手机短信将这件事告诉好友桥田至，这个举动，让世界都颠覆了。实验室里那个所谓的“未来道具”，竟然真的可以左右世界的进程，冈部自此成了孤独的观测者。
这一切都是命运石之门的选择。