Tháng 3 năm 2021: Sau một chấn thương ở đầu, Kosane Kiriha, 24 tuổi, phát hiện ra mình không có não. Ngay sau đó, Kyubey xuất hiện trước mặt cô lần đầu tiên sau mười năm. Nó tiết lộ rằng thay vì não, Kosane có một khối u gồm các tế bào Incubators đang điều khiển cơ thể cô. Và tệ hơn nữa, không gian liên tục đang sụp đổ xung quanh cô ấy. Được hướng dẫn bởi một lá thư mà Kosane tìm thấy trong hộp sọ của chính mình, từ người em song sinh đã qua đời từ lâu Eruna, Kosane và Kyubey du hành thời gian đến 800.000 năm sau ở tương lai trên con tàu Đường sắt Thời gian.
Ở đó, họ gặp bước tiếp theo trong quá trình tiến hóa của loài người, Homo magica, một loài chỉ bao gồm các ma pháp thiếu nữ, chúng chiến đấu để tiêu diệt tàn dư cuối cùng của cựu nhân loại, Homo sapiens.
Giữa trận chiến, Eruna tiếp tục ám ảnh Kosane. Cố gắng trốn thoát, Kosane chạy lên Đường sắt Thời gian, nhưng một vụ nổ đã thổi bay cô về quá khứ.
Các nhân vật bao gồm:
Kosane Kiriha: Một sinh viên mới tốt nghiệp 24 tuổi. Mười năm trước, cô đã cố gắng ký khế ước với Kyubey. Tuy nhiên, vì không có linh hồn, cô không thể trở thành ma pháp thiếu nữ. Tiêu đề luận án thạc sĩ của cô là "Nghiên cứu về cái gọi là cuộc cách mạng nhận thức". Thất bại trong việc tìm việc làm, cô ấy sẽ thất nghiệp trong vô vọng vào tháng Tư.
Kyubey: Một sinh vật lai thỏ và mèo kỳ lạ hỗ trợ Kosane khi nó cưỡi cô đi xung quanh trong hộp sọ rỗng của cô.
Eruna Kiriha: Em gái song sinh giống hệt Kosane, người đã chết khi mới sinh ra và tiếp tục là người bạn tưởng tượng thời thơ ấu của Kosane.
Homo magica: Một chủng tộc ma pháp thiếu nữ đã tiến hóa mà Kosane gặp trong tương lai 800.000 năm sau. Chúng đã tiến hóa để không còn yêu cầu lập khế ước với Kyubey để sử dụng ma pháp nữa. Chúng cũng không bao giờ trở thành Phù thủy. Chúng vô cùng dễ thương do không thể già đi.
Homo sapiens: Là loài người cổ xưa. Cuộc chiến chống lại Homo magica đã dẫn đến sự tuyệt chủng của họ.