※以下內容涉及劇透。
就讀於見瀧原中學的鹿目圓、美樹沙耶香、巴麻美、佐倉杏子，每晚都在以魔法少女的身份與人類的惡夢具象化的怪物“夢魘”戰鬥著。同樣身為魔法少女的轉學生曉美焰也加入其中，五位魔法少女與麻美的朋友“貝貝”以及魔法的使者“丘比”壹同擊退夢魘，但在這個過程中，焰開始察覺到違和感。她向杏子說明了自己的感覺，並邀請杏子壹同展開調查，但兩人卻無法走出見瀧原以外，焰由此認定自己和夥伴們的記憶遭到某人的篡改，以及自己身處的見瀧原是“魔女”所構築的結界。
然而魔女應該已經不存在於這個世上——曾經，將魔法少女的希望變為絕望，並令她們變為魔女的悲慘因果，這樣的世界已經由鹿目圓以自己的存在為代價而改寫。她自身形成了新的概念“圓環之理”，背負了將全部魔女在誕生前消滅的宿命，而見證了這壹切的焰則繼承了圓的意誌，成為唯獨保有世界重構前記憶的人，與魔女的替代產物魔獸展開戰鬥——本該是這樣。
取回有關魔女記憶的焰，察覺到貝貝的正體是在自己的經歷當中曾殺死過麻美的魔女“夏洛特”，她抓住貝貝質問，卻因此招致與麻美的戰鬥。焰在激烈的戰鬥最後落敗，被突然現身的沙耶香救走。逃離險境之後，沙耶香向焰闡述自己的見解。她認為這個見瀧原的和平景象，是因為結界制造者期待這個世界的緣故，同時質疑破壞眼前安逸的必要性，而焰則對於沙耶香的態度抱持疑惑。另壹方面，麻美也開始對自己的記憶產生懷疑，此時貝貝告訴麻美，自己是名為“百江渚”的魔法少女，並希望她傾聽自己的話。
沙耶香以超出焰記憶的熟練動作脫離，跟丟了沙耶香的焰在夜晚的街道遊蕩時遇到了圓。兩人在山丘上交談，期間焰確認了與自己對話的圓是真正的圓，同時體認到圓與自己及朋友們永別的悲哀，不禁潸然淚下。
不久，焰終於得出“這個虛假的見瀧原，正是因自己的願望而在靈魂寶石中創造出來的世界”這壹結論。現實世界中的焰，已經處在瀕臨魔女化的狀態，而造成這種現象則正是丘比——“孵化者”為了確保“更加有效率地收集感情能量的方法”而施加幹預的結果。丘比從焰之處聽說魔女的存在後，為了驗證圓環之理與魔女的存在，自外部幹涉焰的靈魂寶石，使來自外部的幹涉被切斷，但來自內部的幹涉卻不會隔絕。因此，在魔女化的焰的期望下，包含圓在內的壹部分人被召喚至結界當中，並被改寫了記憶，形成了虛假的見瀧原。
丘比的最終目的是通過觀測圓環之理對其進行幹涉和控制，但此時結界內的圓由於失去原本的記憶而令丘比的企圖無法實現。若是圓取回有關圓環之理的記憶，則丘比可以達成目的，焰也可得到救贖，深明此點的丘比催促焰向圓尋求救濟。但這種踐踏圓的本意的心思使焰被激怒，她為了不讓丘比得逞，選擇了不接受圓環之理的救贖、令自己魔女化並被同伴打倒的選項，但這同時也意味著焰將陷入萬劫不復的絕望之中。
就在焰選擇了破滅之時，圓和同伴們為了拯救焰而出現。原來沙耶香與渚是死前受引導所救贖，成為“圓環之理隨從”的存在，可視需要在魔法少女和魔女的形態互換。洞悉丘比實驗計劃的圓，則早在進入這個世界前，就將自己的力量與記憶囑托給沙耶香和渚運送。在眾人的活躍之下，覆蓋魔女結界與焰的靈魂寶石的空間遮斷力場被破壞，丘比的圖謀以失敗告終。
圓取回了作為圓環之理的記憶與力量，現實世界的焰也即將受到圓環之理的引導。在麻美和杏子的看護之下，身為圓環之理的圓與壹同前來的沙耶香、渚自天上現身，為了引導焰而將手伸向焰的靈魂寶石。但此時，焰的臉上卻浮現出了詭異的微笑，並抓住圓的手臂，將她作為“人類”的部分抽出。這壹行為將圓環之理的壹部分切裂開來，而焰的靈魂寶石也染上了超越詛咒的恐怖顏色，世界則經由焰的手再度被改寫。
焰自稱染黑自己靈魂寶石的甚至不是詛咒，而是“比希望更熱烈、比絕望更深刻的感情——愛”，而做出瀆神舉動的自己則已經墮落為“魔”。看到事態已經超出自己控制範圍的丘比雖然打算退出，卻被焰強行抓住，並為了凈化世間的詛咒而要求他為自己幹活。
在改寫後的世界中，麻美和杏子回歸原本的生活，而沙耶香和渚則無法回歸圓環之理，再度以人類的身份在世間生存。尚殘留著有關圓環之理記憶的沙耶香，對焰褻瀆圓環之理的行為做出譴責，但焰卻回應“我只是取下了圓作為人類的記憶”、“身為魔的我對抗神是理所當然的”。沙耶香也在焰的影響下逐漸失去有關圓環之理的記憶，但唯獨留下了焰是“惡魔”的這壹記憶。
圓以轉學生的身份轉入焰的班級，在焰帶著圓參觀校園之際，圓說自己“似乎忘記了什麽重要的事情”。焰向圓詢問對於她來說秩序或是欲望哪壹個更重要，在圓答以“秩序”之後，焰認為自己終有壹天將與圓敵對。之後，焰把當初圓送給她的絲帶還給了圓，含淚說道“果然，還是妳比較適合呢”。
半月之夜，焰坐在懸崖邊的椅子上，而她的腳下，則是已經滿身瘡痍的丘比。隨後，焰開始在降雪的月夜之下起舞，自高臺壹躍而下……《叛逆的物語》就此閉幕。