鹿目まどかは見滝原中学校の2年生として平凡に過ごしていたが、ある夜に見た夢の中で、巨大な怪物に破壊された市街地で傷つきながら応戦する少女を目撃し、ネコ・またはウサギにも似た白い生き物から「僕と契約して、魔法少女になってほしい」と告げられる。翌朝、その夢で見た少女・暁美ほむらが見滝原中学へ転校してくる。ほむらはなぜかまどかのことをよく知っており、「今とは違う自分になろうだなんて思わないことね」と、謎めいた警告を残す。 その日の放課後、まどかは親友の美樹さやかと寄り道した際に、「助けて」と呼ぶ謎の声に導かれて迷い込んだビルの一角にて、夢の中で見た生物・キュゥべえとそれを殺そうとしているほむらに出くわす。その状況に戸惑いつつもまどかとさやかは傷付いたキュゥべえを助けるが、直後に魔女の結界に迷い込んでしまい「造園の使い魔」に襲われる。まどかとさやかは、同じ見滝原中学の先輩にもあたる魔法少女の巴マミに助けられ、魔女と魔法少女の戦いの一端を知ることになる。
魔女からマミに救われたまどかとさやかは、キュゥべえから「自分と契約して魔法少女になってほしい」旨を告げられる。キュゥべえから2人は、契約すればどんな願いでも叶うという夢のような話を聞かされるが、一方でマミから「魔法少女は人の世に仇なす魔女を倒す戦いを続けていかなければならない」厳しい事実も伝えられ、慎重な判断をするよう忠告される。 まどかとさやかはマミに同行して、マミと「薔薇園の魔女」との戦いの一部始終を見守る。人の世の安全のために、しかし華麗に戦い続けるマミの姿を目にし、２人は魔法少女になることへの強い憧れを抱く。一方、まどかが魔法少女の世界に関わることを止めさせようとするほむらは、キュゥべえやマミに対して敵対的な態度を取る。
まどかもさやかも、魔法少女になって叶えたいほどの願い事はなかなか思い浮かばなかった。しばらくして、さやかの想い人・恭介が入院している病院の付近で、まどかとさやかとキュゥべえは魔女として孵化する直前のグリーフシードを目撃し、マミに助けを求める。まどかはマミと共に魔女の結界の奥へ進む途中、この戦いが終わったら魔法少女になる約束をマミと交わす。長く孤独な戦いを続けていて本当は寂しかった、という心境を打ち明けてまどかの申し出を歓迎したマミだったが、「お菓子の魔女」との戦いの中でマミは首を噛み砕かれ、あっけなく絶命する。窮地を脱するため、キュゥべえは魔法少女になるようにまどかとさやかに迫るが、そこへ登場したほむらが魔女を倒す。
マミの死に様という過酷な現実を突き付けられたまどかとさやかは魔法少女になる決意を挫かれ、まどかのその判断をほむらは歓迎する。しかし、親友の仁美が夜の街で「ハコの魔女」に操られ集団自殺に加わろうとしているのをまどかは偶然目撃したことから、彼女を助けようとして再び魔女に関わってしまう。魔女の使い魔に捕まり殺されかけていたまどかを救ったのは、想いを寄せる幼馴染の上条恭介のケガを治すためにキュゥべえと契約して魔法少女となったさやかであった。
さやかが恭介の回復を喜び、マミの遺志を継いで魔女と戦っていく決意を固める一方で、見滝原には利己主義を信念とする魔法少女・佐倉杏子が現れる。マミとは対照的に、杏子は自分のためだけに魔女を倒し、自分の利益のためには使い魔を放置するなど一般人の犠牲も厭わないと公言し、それに反発するさやかとの間に真剣勝負の諍いが生じる。まどかが今すぐ魔法少女になれば二人を止められるとキュゥべえは唆すが、そこへ現れたほむらによって争いは制止される。
唐突に現れたほむらの行動により杏子とさやかの対決は有耶無耶になったが、さやかはほむらや杏子に対し敵意を抱く。ほむらはゲームセンターにいた杏子に最強の魔女・「ワルプルギスの夜」が二週間後に襲来することを告げ、対抗する為に共闘を持ちかける。その後、恭介の家の前に佇むさやかの前に現れた杏子は、さやかを挑発する。歩道橋に場を移しての杏子とさやかの対決の場へ、キュゥべえの先導で割り込んだまどかはさやかのソウルジェムをとっさに掴むと、歩道橋から路上へ投げ捨てた。その結果、さやかは生命活動を停止する。思わぬ状況に動揺した杏子は、キュゥべえを問い詰める。ここで、魔法少女の魔力の源であると思われていた「ソウルジェム」が、実は少女から分離された魂を収めている器であり、魔法少女の肉体は魂を引き抜かれて異質なものに変質していることが、キュゥべえの口から皆に明かされる。ほむらの尽力によってソウルジェムを取り戻したさやかは、息を吹き返す。
さやかは、自分が人間ではないものになってしまったことに負い目を感じ、退院した恭介のことを避ける。一方、杏子はかつて父の教会に人がたくさん来て欲しくて契約したものの、その秘密を知った杏子の父は狂乱し、最後には一家心中に至ったという過去があった。それに反発する意味で、杏子は利己的な生き方を選んだのだった。杏子はさやかにそのことを明かし、さやかにも利己的な生き方を勧めるが、それでもさやかは信念を貫き他人のために戦おうとする。だが時を同じくして、さやかは自分の友人である志筑仁美もまた、恭介に好意を抱いていることを打ち明けられる。自己嫌悪に値する嫉妬の感情に苛まれ、自分が本心では恭介に見返りを求めていたという事実にさやかは直面する。
悪い状況や心のすれ違いが重なり、まどかの説得も虚しくさやかは心身共に追い詰められていく。見かねたほむらはさやかをひと思いに始末しようとするが、杏子に阻まれる。一方、まどかはさやかを救うためにキュゥべえと契約しようとするがほむらに阻まれ、それをきっかけにほむらの本心が明かされる。無謀な戦い方を続けるさやかの身を案じる杏子の想いとは裏腹に、自分や人間に対する失望を重ねたさやかのソウルジェムはついに濁りきり、杏子の目の前で「人魚の魔女」と化す。ここに至り、魔女の正体が絶望した魔法少女の成れの果ての姿であるという事実が明らかになる。
キュゥべえの正体はインキュベーターと呼ばれる地球外生命体の端末であり、魔法少女が最終的に魔女となることは彼らによって仕組まれたことであった。その真意を問いただすまどかに対し、キュゥべえは自分たちの種族の目的が宇宙の寿命を延ばすことにあると説明し、そのために魔法少女たちが希望から絶望へ相転移して魔女となる際に発生する、熱力学第二法則に縛られない莫大な感情エネルギーを回収しているのだ、と語る。まどかはキュゥべえへの不信を露わにし、真意を伏せて少女たちと契約を結んできたことを「騙してきた」と非難するが、感情というものを理解できない種族であるキュゥべえは、見解の相違によって生じた齟齬について一方的に責められることの方が理不尽であるとし、地球人を含む宇宙全体の公益のため、まどかの自己犠牲を期待する旨を告げて去る。 さやかを人間に戻す手段がないことを信じられない杏子は、さやかの親友であるまどかが呼びかけ続ければ彼女を元に戻せるのではないかと考え、二人で「人魚の魔女」に立ち向かう。しかし試みは失敗し、杏子と「人魚の魔女」は相討ちとなって果てる。一方で、見滝原には大災害をもたらす最強の魔女「ワルプルギスの夜」が今や刻々と迫りつつあり、キュゥべえはすでに三人の魔法少女が戦死した今、高い素質を持つまどかが魔法少女にならない限り、見滝原の街を救うことはできないと予見する。
ほむらの過去が1話分を費やして描かれる。見滝原中学に転入してきた、入院がちで気弱な三つ編みに眼鏡の少女・暁美ほむらは、下校時に魔女の結界へ足を踏み入れてしまう。そのとき、転校先で初めて得た友人・鹿目まどかの魔法少女としての活躍により、ほむらは魔女から救い出される。その後、マミとまどかが「ワルプルギスの夜」と対決するも殺されてしまった結末をほむらは目の当たりにし、キュゥべえに「鹿目さんとの出会いをやり直したい」と願い契約したことで、ほむらは時間遡行の能力を持つ魔法少女となった。当初は他の魔法少女たちとも協力し、魔女と交戦していたほむらだったが、最終的には「ワルプルギスの夜」にまどかが殺されるか・もしくは勝利と引き換えにまどかが魔女化し世界を滅亡させる、といういずれも悲劇的な結果しか得られない。かくして、ほむらは最善の方法を求めて同じ時間の平行世界を何度も繰り返すこととなり、彼女の戦いはしだいに苦しく孤独なものとなっていく。
まどかが最強の魔法少女にして最悪の魔女と成り得る素質を備えた原因が、実はほむらの時間遡行の繰り返しにあったことが明らかにされ、ほむらの退路は次第に断たれていく。さやかの告別式から帰宅したまどかは、インキュベーターと魔法少女の関わりの歴史をキュゥべえから聞かされるが、まどかはその過酷さを知り混乱に陥る。のち、ほむらの家を訪ねたまどかは助力を申し出るが、ほむらからは自らが辿ってきたこれまでの真相を打ち明けられると共に涙ながら諭され断られる。やがて見滝原には「ワルプルギスの夜」が来襲し（ただし一般人には、暴風雨の発生としか認知できない）、ほむらはありったけの武装で応戦を始める。同じ頃、まどかは避難所にてほむらの劣勢を感じて何事かを決意し、母親に自分の覚悟を告げ戸外へと飛び出していく。死力を尽くして戦うもこれまでの時間軸と同様に敗北し、深手を負ってしまうほむら。どうしてもまどかを救えない絶望から彼女のソウルジェムが濁りきろうとしたその時、まどかが現れてほむらの手を取る。「ほむらちゃん、ごめんね」と笑顔を見せながら…。
まどかの願いは「過去、現在、未来、全宇宙に存在する全ての魔女を、生まれる前に自分の手で消し去ること」であり、魔法少女が溜め込む呪いや穢れの全てを破壊する存在になる、というものであった。それは、時間への干渉を超えた物理法則の改変・すなわち因果律を組み替える、という『神の御業』にも等しい願いであり、それを聞いたキュゥべえを動揺させる。しかしこれまでに時間遡行を繰り返してきたほむらの行為によって、まどかはこの願いを背負い実現できる途方もない素質を持つに至っており、願いは成就される。 まどかの願いにより、宇宙は新たな因果の元に再構築された。まどか自身は人としての存在を失い、未来永劫魔女を生み出さないための概念として昇華するが、時間を操る能力を持つほむらだけがその過程を見届ける。時空を超えて遍在する概念と化し、すべての時代と世界を見ることができるようになったまどかは、これまでのほむらの労苦と友情を知ったことにより、自分を想い涙するほむらに心からの感謝と親愛の言葉をかける。そして、最後の奇跡として互いの記憶が残ることを願い、自らの髪を結んでいたリボンをほどいてほむらに託し、まどかはほむらの前から姿を消す。 新たに構成された世界では、魔法少女が魔女になることはなくなった代わりに魔獣が現れ、キュゥべえのエネルギー採取も、人の世の呪いから生まれた魔獣を倒すことで得られるエネルギーを利用する方法へと変わった。まどかの存在は、魔法少女らの間で「円環の理」という概念として口伝される以外には彼女の家族を含む皆の記憶から消えており、ほむらは
主人公・鹿目まどかの通う見滝原中学へ、謎の少女・暁美ほむらが転校してくる。保健係のまどかに、保健室へ連れて行って欲しいと頼んだほむらは、向かう道すがら、不意にまどかへ「あなたは自分の人生が尊いと思う？家族や友人を大切にしてる？」と問いかける。「大切だよ」と答えるまどかに、「なら、今の自分とは違う自分になんてなろうと思わないことね」と言葉を残し、ほむらはその場を去る。 放課後、親友の美樹さやかと寄り道していたまどかは、謎の声に導かれビルの一角へ迷い込み、ウサギとも猫とも似た可愛らしい生物・キュゥべえと、それを殺そうとするほむらに出くわす。まどかとさやかは戸惑いつつも、傷付いたキュゥべえを助けるが、直後に奇妙な異世界へ迷い込んでしまう。不気味な化物たちに囲まれた2人、そのピンチを、同じ中学の3年生でキュゥべえと契約した魔法少女の巴マミが救う。 マミに救われたまどかとさやかは、キュゥべえに「僕と契約して魔法少女になってほしい」と告げられる。2人はキュゥべえから、どんな願いも叶え、その引き換えに魔法少女になってほしいという夢のような話を聞かされるが、同時にマミから「魔法少女は人の世に仇なす魔女を倒す厳しい戦いを続けていかなければならない」ことも伝えられ、魔法少女になるか、慎重な判断をするよう忠告される。その慎重な判断をするために、魔女との戦いを見学してみないかとマミが提案。そして2人は人々のために戦い続けるマミと接することで、魔法少女、そしてマミに強い憧れを抱く。
キュゥべえの正体はインキュベーターと呼ばれる地球外生命体の端末であり、魔法少女が最終的に魔女となることは彼らによって仕組まれたことであった。その真意を問いただすまどかに対し、キュゥべえは自分たちの種族の目的が宇宙の寿命を延ばすことにあると説明し、そのために魔法少女たちが希望から絶望へ相転移し魔女となる際に発生する、熱力学第二法則に縛られない莫大な感情エネルギーを回収しているのだと語る。まどかはキュゥべえへの不信を露わにし、真意を伏せて少女たちと契約を結んできたことを「騙してきた」と非難するが、感情を理解しないキュゥべえは、見解の相違によって生じた齟齬について、一方的に責められることのほうがそもそも理不尽であるとし、地球人を含む宇宙全体の公益のため、まどかの自己犠牲を期待する旨を告げて去る。 キュゥべえの言い分に納得できない杏子は、さやかを元に戻そうと結界内にまどかを連れて潜入する。魔女化したさやかに、まどかと共に必死に呼び掛けるも思い叶わず、魔女化したさやかと共に命を落とす。その一方、見滝原には大災害をもたらす最強の魔女「ワルプルギスの夜」が迫りつつあり、キュゥべえは3人の魔法少女が戦死した今、高い素質を持つまどかが魔法少女にならない限り見滝原を救うことができない、と予見する。 一方、それまでは謎に包まれてきたほむらの素性や目的も明らかにされる。彼女は異なる時間軸からやってきた時間遡行者であり、元の時間軸において初めて得た友人でありながら「ワルプルギスの夜」と戦うも死亡してしまったまどかを救うべく、未来への道筋を求
見滝原中学校に通う、鹿目まどか、美樹さやか、巴マミ、そして隣町の風見野から転校していた佐倉杏子たちが、人の悪夢が具現化した怪物「ナイトメア」と毎夜戦う中、同じ魔法少女である三つ編み・眼鏡姿の少女、暁美ほむらが転校してきた所から物語は始まる。ほむらの転校からひと月程経ったある日、五人の魔法少女とマミの友達であるベベ、魔法の使者であるキュゥべえと一緒に「ナイトメア」退治に立ち向かう中で、ほむらは「私たちの戦いはこれで良いのだろうか」と違和感を覚え始める。そのことを杏子に打ち明け、共に調査を行ううちに、二人は見滝原から出ることができないばかりか、自分たちの記憶が巧妙に改竄されていることに気づく。そしてほむらは、ナイトメアとの戦いの舞台であるこの見滝原が「魔女」によって構築された結界の内部である、と確信する。 この世界には、すでに魔女は存在しないはずであった。かつて、魔法少女の持つ希望が絶望となって彼女らを魔女の姿に変える因果を悲観した鹿目まどかは、自らが魔法少女となる引き換えの願いとして「すべての魔女を、生まれる前に消し去りたい」と願い、自分自身の存在と引き換えに世界を作り替えた。彼女自身が新たな概念「円環の理」となり、永遠に魔女の誕生を抑制し続けるという宿命を負うことで、世界は魔女の存在しない代りに「魔獣」の蔓延る世界へと変化、その一部始終を見守っていた暁美ほむらはまどかの意思を継ぎ、ただ一人宇宙が再構築される以前の記憶を持って、魔獣と戦い続ける決意をしたはずであった。 魔女についての記憶を取り戻したほむらは、かつて
