※以下内容涉及剧透。
就读于见泷原中学的鹿目圆、美树沙耶香、巴麻美、佐仓杏子，每晚都在以魔法少女的身份与人类的恶梦具象化的怪物“梦魇”战斗着。同样身为魔法少女的转学生晓美焰也加入其中，五位魔法少女与麻美的朋友“贝贝”以及魔法的使者“丘比”一同击退梦魇，但在这个过程中，焰开始察觉到违和感。她向杏子说明了自己的感觉，并邀请杏子一同展开调查，但两人却无法走出见泷原以外，焰由此认定自己和伙伴们的记忆遭到某人的篡改，以及自己身处的见泷原是“魔女”所构筑的结界。
然而魔女应该已经不存在于这个世上——曾经，将魔法少女的希望变为绝望，并令她们变为魔女的悲惨因果，这样的世界已经由鹿目圆以自己的存在为代价而改写。她自身形成了新的概念“圆环之理”，背负了将全部魔女在诞生前消灭的宿命，而见证了这一切的焰则继承了圆的意志，成为唯独保有世界重构前记忆的人，与魔女的替代产物魔兽展开战斗——本该是这样。
取回有关魔女记忆的焰，察觉到贝贝的正体是在自己的经历当中曾杀死过麻美的魔女“夏洛特”，她抓住贝贝质问，却因此招致与麻美的战斗。焰在激烈的战斗最后落败，被突然现身的沙耶香救走。逃离险境之后，沙耶香向焰阐述自己的见解。她认为这个见泷原的和平景象，是因为结界制造者期待这个世界的缘故，同时质疑破坏眼前安逸的必要性，而焰则对于沙耶香的态度抱持疑惑。另一方面，麻美也开始对自己的记忆产生怀疑，此时贝贝告诉麻美，自己是名为“百江渚”的魔法少女，并希望她倾听自己的话。
沙耶香以超出焰记忆的熟练动作脱离，跟丢了沙耶香的焰在夜晚的街道游荡时遇到了圆。两人在山丘上交谈，期间焰确认了与自己对话的圆是真正的圆，同时体认到圆与自己及朋友们永别的悲哀，不禁潸然泪下。
不久，焰终于得出“这个虚假的见泷原，正是因自己的愿望而在灵魂宝石中创造出来的世界”这一结论。现实世界中的焰，已经处在濒临魔女化的状态，而造成这种现象则正是丘比——“孵化者”为了确保“更加有效率地收集感情能量的方法”而施加干预的结果。丘比从焰之处听说魔女的存在后，为了验证圆环之理与魔女的存在，自外部干涉焰的灵魂宝石，使来自外部的干涉被切断，但来自内部的干涉却不会隔绝。因此，在魔女化的焰的期望下，包含圆在内的一部分人被召唤至结界当中，并被改写了记忆，形成了虚假的见泷原。
丘比的最终目的是通过观测圆环之理对其进行干涉和控制，但此时结界内的圆由于失去原本的记忆而令丘比的企图无法实现。若是圆取回有关圆环之理的记忆，则丘比可以达成目的，焰也可得到救赎，深明此点的丘比催促焰向圆寻求救济。但这种践踏圆的本意的心思使焰被激怒，她为了不让丘比得逞，选择了不接受圆环之理的救赎、令自己魔女化并被同伴打倒的选项，但这同时也意味着焰将陷入万劫不复的绝望之中。
就在焰选择了破灭之时，圆和同伴们为了拯救焰而出现。原来沙耶香与渚是死前受引导所救赎，成为“圆环之理随从”的存在，可视需要在魔法少女和魔女的形态互换。洞悉丘比实验计划的圆，则早在进入这个世界前，就将自己的力量与记忆嘱托给沙耶香和渚运送。在众人的活跃之下，覆盖魔女结界与焰的灵魂宝石的空间遮断力场被破坏，丘比的图谋以失败告终。
圆取回了作为圆环之理的记忆与力量，现实世界的焰也即将受到圆环之理的引导。在麻美和杏子的看护之下，身为圆环之理的圆与一同前来的沙耶香、渚自天上现身，为了引导焰而将手伸向焰的灵魂宝石。但此时，焰的脸上却浮现出了诡异的微笑，并抓住圆的手臂，将她作为“人类”的部分抽出。这一行为将圆环之理的一部分切裂开来，而焰的灵魂宝石也染上了超越诅咒的恐怖颜色，世界则经由焰的手再度被改写。
焰自称染黑自己灵魂宝石的甚至不是诅咒，而是“比希望更热烈、比绝望更深刻的感情——爱”，而做出渎神举动的自己则已经堕落为“魔”。看到事态已经超出自己控制范围的丘比虽然打算退出，却被焰强行抓住，并为了净化世间的诅咒而要求他为自己干活。
在改写后的世界中，麻美和杏子回归原本的生活，而沙耶香和渚则无法回归圆环之理，再度以人类的身份在世间生存。尚残留着有关圆环之理记忆的沙耶香，对焰亵渎圆环之理的行为做出谴责，但焰却回应“我只是取下了圆作为人类的记忆”、“身为魔的我对抗神是理所当然的”。沙耶香也在焰的影响下逐渐失去有关圆环之理的记忆，但唯独留下了焰是“恶魔”的这一记忆。
圆以转学生的身份转入焰的班级，在焰带着圆参观校园之际，圆说自己“似乎忘记了什么重要的事情”。焰向圆询问对于她来说秩序或是欲望哪一个更重要，在圆答以“秩序”之后，焰认为自己终有一天将与圆敌对。之后，焰把当初圆送给她的丝带还给了圆，含泪说道“果然，还是你比较适合呢”。
半月之夜，焰坐在悬崖边的椅子上，而她的脚下，则是已经满身疮痍的丘比。随后，焰开始在降雪的月夜之下起舞，自高台一跃而下……《叛逆的物语》就此闭幕。