Illyasviel von Einzbern ist ein Master, der als Vertreterin der Familie Einzbern am Fünften Heiligen Gral-Krieg teilnimmt. Sie ist ein Homunkulus, ein durch Alchemie erschaffenes künstliches Lebewesen, und die leibliche Tochter von Kiritsugu Emiya und Irisviel von Einzbern. Ihr äußeres Erscheinungsbild ist das eines jungen Mädchens mit langem, silberweißem Haar und karminroten Augen, das typischerweise ein lila langärmliges Hemd mit einem hellvioletten Schal, einen langen weißen Rock und lila Stiefel trägt. Obwohl sie wie ein Kind aussieht, ist Illyasviel tatsächlich achtzehn Jahre alt und etwas älter als Shirou Emiya. Ihre kindliche Statur ist das Ergebnis umfangreicher magischer Modifikationen an ihrem Körper vor und nach der Geburt, die ihr körperliches Wachstum hemmten und die Entwicklung sekundärer Geschlechtsmerkmale stoppten.

Illyasviel besitzt ein unübertroffenes Maß an Potenzial als Master, wobei siebzig Prozent ihres Körpers aus magischen Kreisläufen bestehen, die auch als ihre Kommandosprüche dienen und als rote Muster auf ihrer Haut erscheinen. Sie hat ein unbegrenztes Mana, das es ihr ermöglicht, ihren Diener, Berserker, den legendären griechischen Helden Herakles, ohne große Schwierigkeiten zu kontrollieren. Als Gefäß für den Heiligen Gral absorbiert Illyasviel automatisch die Seelen besiegter Diener, aber ihr Körper kann nur vier aufnehmen, bevor sie beginnt, ihre menschliche Funktionalität zu verlieren. Sie kann mit einzelnen Haarsträhnen hochleistungsfähige Vogelvertraute namens Zelle erschaffen, eine Technik, die den Drahtkonstruktionen ihrer Mutter ähnelt.

Ihre Persönlichkeit ist eine komplexe Mischung aus Fröhlichkeit, Verspieltheit und einem beunruhigend unterentwickelten moralischen Empfinden in Bezug auf Töten. Sie zeigt oft ein unschuldiges und freundliches Auftreten und bittet diejenigen, denen sie vertraut, sie Illya zu nennen, kann aber auch gefühllos und grausam ohne Reue sein. Diese Dualität hat sie von ihren Eltern geerbt, denn sie besitzt die Freundlichkeit und kindlichen Eigenschaften ihrer Mutter Irisviel, aber auch die kalte Pragmatik ihres Vaters Kiritsugu. Ihre Motivationen sind tief in ihrer Beziehung zu ihrem Vater verwurzelt, von dem sie glaubt, dass er sie und die Familie Einzbern nach dem Vierten Heiligen Gral-Krieg verlassen hat, um in Japan zu bleiben und sich um Shirou, seinen Adoptivsohn, zu kümmern. Dieser vermeintliche Verrat hat eine tiefsitzende Eifersucht und den Wunsch nach Rache an Shirou genährt, den sie zunächst sowohl als Ziel als auch als Kuriosität behandelt und ihn großer Bruder nennt.

In der Handlung von Unlimited Blade Works reist Illyasviel nach Fuyuki City und wohnt im Einzbern-Schloss am Stadtrand, begleitet nur von ihrem Diener Berserker und ihren beiden Dienstmädchen Leysritt und Sella. Als Shirou Emiya und Rin Tohsaka später beschließen, ein Bündnis mit ihr zu schließen, um dem mächtigen Diener Caster entgegenzutreten, kommen sie zu spät. Illyasviel wird vom Diener Gilgamesh besiegt, der Berserker nach einem erbitterten Kampf tötet und ihr dann das Herz herausreißt, um es als Kern des Heiligen Grals zu verwenden, was zu ihrem Tod führt. Ihre wichtigsten Beziehungen sind geprägt von ihren widersprüchlichen Gefühlen für Shirou, den sie trotz ihres Rachewunsches als älteren Bruder sieht, und ihrer tiefen Bindung zu Berserker, der sie beschützt und für das einsame Mädchen zu einer Vaterfigur wird.