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美树沙耶香是一个活泼开朗，富有正义感的少女，同时也是小圆和仁美的好友，和恭介是青梅竹马。
发色为淡蓝色，短发（官方手游《魔法纪录》中出现过长发形态）、头发上夹着两个黄色的发卡（变身时没有，剧场版改为音符发卡）、眼睛为海蓝色、格子短裙校服、深紫蓝长袜、外表是个假小子。变身后，服饰为西方的骑士服饰。纯白斗篷、深蓝与漆白混搭的斜式短裙、蓝白相间长筒袜、鲜蓝色短靴、连指白色手套、挂着白色披风。持有的灵魂宝石（soulgem），变身后呈新月形状镶嵌在肚子上。
外表看似男孩，但是内心相当少女情怀。无论干什么都充满着活力，见面时总会热情地打招呼。对于喜欢的人总会一脸遮掩，不擅长表达自己的情感，这也成为了上条恭介最后和志筑仁美在一起的重要原因。
成为魔法少女
就读于市立见泷原中学二年级，与鹿目圆与志筑仁美的好友，与上条恭介是青梅竹马。在晓美焰转到班上后，对她的神秘主义非常看不顺眼。当小圆提起自己似乎曾在梦中见过转校生后，开玩笑说焰是穿越时空而来的。
沙耶香与小圆一起在商店时，两人从晓美焰手中救下了被她攻击的神秘生物丘比。两人误入魔女结界，被同校学姐巴麻美所救。两人从巴麻美与丘比那里知道了魔法少女在暗中从魔女手中保护人类的秘密。丘贝亦邀请两人成为魔法少女拯救世界。在目睹了巴麻美的战斗后，两人有了当魔法少女的觉悟。后因为巴麻美的死而放弃。沙耶香终因为不忍心看着上条恭介继续为失去知觉的右手而伤心，而决定以“为了救治上条恭介”为愿望，和丘比签订契约成为魔法少女。成为魔法少女后，使用军刀当作武器，以剑士的形象出现。由于美树沙耶加许下的愿望与治愈有关，所以受到伤害时的治愈及恢复力都极高。
质疑身份
在成为魔法少女时，并没有弄清楚一个问题，那就是自己的愿望究竟是想帮助上条，还是得到上条的感恩，匆匆许下前者就立即抱着“正义使者”的心愿铲除魔女与使魔。
已知信奉着“为他人使用魔法的力量”，并且相信正义永远是必胜的。事后得知契约的真实，对自己已经不是人类这点受到了不小的打击。由于那个愿望的出发点并非纯真，在佐仓杏子的暗示下，渐渐认为自己真实目的就是获得上条的爱情。但本人的价值观又不容许这种想法的存在，于是因此认为自己虚伪，配不上“正义使者”一称，开始逐渐崩溃。
成为魔女
与此同时志筑仁美公开摊牌表明她喜欢上条恭介，面对被自己亲手救出却对全然不晓的仁美上条二人的“背叛”，沙耶香因为魔法少女的真相更加无法说出对上条的心意以致被抢先告白，近乎失去一切的沙耶香不断斩杀魔女和使魔但求一死。在电车上听闻了两个男子的对话后，更对这个世界是否值得守护本身产生了怀疑，成为压倒骆驼的最后一根稻草，灵核被绝望污染而成为了人鱼魔女。
成为魔女后，与佐仓杏子同归于尽，遗体则事先被杏子带回后来在旅馆被发现，被认为离家出走后体力不支导致的死亡，举行了葬礼。
而鹿目圆在见证了发生在沙耶香身上的一系列悲剧后，最终许下了“让一切魔法少女成为魔女之前就消失”的心愿，以致神化并重新改造了整个世界、在新生的世界，为了回应沙耶香的努力，圆神维持了沙耶香为了上条许下愿望成为魔法少女这一事实。但沙耶香因“圆环之理”避免了沦为魔女的悲惨命运，至此得到了永久的救赎，在最后听到康复后恭介的演奏时流下了幸福的泪水后消失了。
叛逆的物语
成为圆环之理的一部分，作为神使和百江渚以及小圆本身一起来迎接灵魂宝石被彻底污染即将魔女化的焰。存储有另一份圆的记忆瞒过了丘比的眼线。
在晓美焰的魔女结界中，重新以魔法少女的姿态出现，与杏子关系变的温馨，并表示出自己对杏子的歉意。在晓美焰逃脱了巴麻美的追捕后，暗示晓美焰这个世界的真实，而被晓美焰怀疑身份。
当晓美焰在自己的世界彻底成为魔女后，准备消灭自身的存在时及时带领众人出现，并阻止了焰的行为。成为圆环之理的使者后有了很大的进步，动作更加敏捷，战斗变得娴熟，可以一心两体同时以魔法少女和魔女的身份战斗，并在战斗中与佐仓杏子一起倾诉心事。
在晓美焰魔化把小圆强行脱离了圆环之理后，也被一同剥离出现在新生的世界。作为唯一保留过去记忆的人，对破坏魔法少女的归宿圆环之理的焰怀有极大恨意，与之对峙时被手动删除有关过去的记忆，唯独记住了晓美焰是恶魔这一点。而焰魔也反唇相讥如果再来找茬就让小圆讨厌她。
失忆后的沙耶香暂且过着平凡人的生活，作中暗示其仍旧拥有魔法少女的身份。