Được Thiết lập một thế giới song song với Fate / stay night nơi Chén Thánh huyền bí biến mất khỏi Fuyuki sau Chiến tranh Chén Thánh Third Holy Grail. Sau nhiều năm yên bình, khoảng thời gian Chiến tranh Chén Thánh thứ năm đã xảy ra, Yggdmillennia, một gia đình ma thuật, tuyên bố công khai việc ly khai khỏi hiệp hội Mage và họ đang nắm giữ Chén Thánh
Một ngày hè oi bức năm 1983, Maebara Keiichi,cậu học sinh chuyển trường đến ngôi làng Hinamizawa hẻo lánh, đang tận hưởng những ngày tháng yên bình và tham gia vào câu lạc bộ chơi game cùng bốn cô bạn đáng yêu của mình.
Câu chuyện diễn ra tại một trường trung học nào đó, nơi một số vụ giết người diễn ra. Kobayashi, một cậu bé đi đến trường, gặp thiên tài thám tử Akechi, ai đến trường để điều tra
Anime được thực hiện theo bản visual novel phát triển bởi 5bp và Nitroplus, Chaos;Head là một câu chuyện về một kẻ giết người(ảo giác) kì bí, mang những nhân tố mạnh như máu đông,xung đột tâm lý và giả tưởng. Game sử dụng một nét đặc trưng gọi là "delusional trigger", thứ cho phép người chơi điều chỉnh realness với surrealness thông qua perspective của nhân vật chính ,thứ tác động trực tiếp vào cốt truyện.
Câu chuyện kể về Yuuya Niyodo lười biếng, thành viên của bộ đôi thần tượng ZINGS. Một ngày sau một buổi biểu diễn cẩu thả, Yuuya gặp Asahi Mogami, một nữ thần tượng vui vẻ. Điều khó khăn là Asahi đã chết được một năm và điều này khiến cuộc sống của Yuuya bị đảo lộn.