炎柱・煉獄杏壽郎接獲了新的任務。那便是前往已經有超過四十人下落不明的「無限列車」現場進行調查。煉獄離開鬼殺隊本部，踏上前往無限列車執行任務的旅程──。

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炭治郎等人與炎柱煉獄杏壽郎會合，挺身對抗行駛於黑暗中的《無限列車》中的鬼。連繫竈門炭治郎立志篇與遊郭篇的無限列車篇電視動畫化。

在炭治郎與伊之助的見證下，猗窩座與煉獄的激戰持續進行中。相較無論被怎麼劈砍都能馬上回復的猗窩座，煉獄則確實受到損傷。為了替戰鬥畫上休止符，煉獄用盡渾身之力使出奧義。煉獄為了不讓任何人死去的死鬥，終於迎來勝負揭曉的時刻。

炭治郎與伊之助終於砍下魘夢的脖子。隨著無限列車翻覆，炭治郎等人被甩出車外。遍體鱗傷的炭治郎在從煉獄口中得知乘客們都平安的消息後安心不少。但就在這時，兩人眼前出現了一體鬼的身影。

魘夢與無限列車融合後，車上兩百多人的乘客便成了人質。魘夢操縱觸手在車內襲擊乘客，令炭治郎感受到僅靠一人守護到底的極限。但是在最早清醒的伊之助之後，禰豆子、善逸、煉獄也加入戰局，賭上乘客性命的全面戰爭就此開始。

炭治郎察覺到自己身處夢境之中，領會了為了從夢中清醒過來必須斬斷的方法後，砍下了自己的脖子。另一方面，為了破壞炭治郎等人的精神核心而潛入無意識領域的魘夢的協助者們，也因為無法達成目的開始陷入不安。

炭治郎與家人們度過了一段幸福的時光。但那是下弦之壹・魘夢讓他看見的夢中世界。魘夢的目的是潛入熟睡中的炭治郎等人的無意識領域，以破壞他們的「精神核心」。究竟炭治郎等人是否有辦法在精神核心被破壞之前從夢中清醒過來呢？

炭治郎等人結束在蝴蝶屋的修練，前往下個任務的地點無限列車。他們在那裡與先行抵達的煉獄會合。不知如何應對過於熱情的煉獄的炭治郎、害怕鬼的善逸、以及對列車感到興奮的伊之助──在這乘載眾多乘客的列車上，即將開始新的戰役。