Nello scenario ''Unlimited Blade Works'' il suo rapporto con Saber è molto meno intimo a favore di quello con Rin che lo tratterà in modo più aperto ed affettuoso non facendogli mancare il proprio supporto nei momenti peggiori. Ad un certo punto l'incantesimogli incantesimi di comando gli viene sottrattosottratti da Caster con il Rule Breaker e dopo la sconfitta di quest'ultima Saber si trova costretta a diventare la Servant di Rin stringendo un nuovo patto. Il suo amore per Rin, ricambiato, si rafforza grazie alle lotte che i due affrontano insieme. I due arrivano anche a fare l'amore, in modo che Rin possa passare parte del suo circuito magico a Shirō e rifornirlo della forza magica necessaria per lo scontro finale con Gilgamesh che va avvicinandosi. Archer, che si era liberato dal controllo di Rin, attacca Shirō per potersi liberare dal peso delle sue scelte errate del passato così che uccidendo il se stesso da giovane non avrebbe fatto quella fine. Shirō però riesce a convincerlo che la strada da lui scelta, ovunque lo porterà, è quella fatta con il cuore e quindi quella giusta facendolo rinunciare allo scontro. Nel successivo scontro con Gilgamesh il prestito di forza magica di Rin gli consentirà di creare una propria versione dell'Unlimited Blade Works, lo spazio di singolarità con cui sconfiggerà il re degli eroi. Verrà salvato dal ritorno di Gilgamesh da Archer, ormai sicuro che il rapporto con Rin lo possa fare diventare una persona migliore di quella che è lui. Nel ''True Ending'', dopo che Saber ha distrutto il Sacro Graal, Shirō deciderà di accettare la proposta di Rin e seguirla all'Associazione dei Maghi dove diventerà il suo apprendista.
