Une nuit, Madoka Kaname, 14 ans, fait un terrible cauchemar : dans le contexte d'une ville dévastée, elle voit une fille mener une bataille perdue contre un être terrible qui persiste au-dessus, tandis qu'une créature magique ressemblant à un chat dit à Madoka que la seule façon de changer une telle issue tragique est qu'elle passe un contrat avec lui et devienne une fille magique.
Le lendemain, le rêve de l'adolescente semble devenir réalité lorsque la fille qu'elle a vue dans son rêve - Homura - arrive au collège Mitakihara en tant qu'élève transférée, avertissant mystérieusement Madoka de rester telle qu'elle est ; mais quand plus tard, elle et sa meilleure amie Sayaka rencontrent la même créature magique ressemblant à un chat de son rêve - qui se présente comme Kyubey - le couple découvre que les filles magiques sont réelles et qu'en plus, elles peuvent choisir de le devenir. Tout ce qu'ils doivent faire est de signer un contrat avec Kyubey et d'accepter d'assumer le devoir de combattre des êtres abstraits appelés « sorcières » qui répandent le désespoir dans le monde humain, et en retour, chacun d'eux se verra exaucer le souhait qu'il désire. Cependant, comme le suggère le présage d'Homura, devenir une fille magique pourrait être bien plus que ce que Madoka et Sayaka pensent...
Remarques :
- En raison du tremblement de terre et du tsunami de Tōhoku en 2011, les diffusions des épisodes 11 et 12 ont été retardées et ont ensuite été diffusées en double long métrage le 21 avril 2011.