设定
故事开始的250年前，世界各地的某些地方喷出火焰，导致陆地四分五裂，也使得许多国家消失、大量生物灭绝，文化发展有些许倒退。部分国家的遗民进入仍然完好的东京皇国生活。受到移民影响，多数人开始将姓和名倒过来称呼，而原国主义者则排斥这种变化并尽可能维持原有传统，因此双方多有冲突。而250年的灾难更被后世称为“大灾害”。
在政教合一、信仰“圣阳教”的东京皇国，部分人类受到原因不明的人体自燃影响而变成“焰人”，第一世代的焰人受其所苦。人类发展到第二世代后，具有操纵火焰的能力，但不能从无生有地释放火焰。第三世代则具释放火焰并操控之的能力；不过无法控制不是由自己释放的火焰，且若用尽体内氧气会陷入晕眩甚至罹患“灰病”。第四世代则是有拥有安德拉爆炎这种火焰的人。为了对抗焰人造成的灾难，皇国组成了特殊消防队与焰人作战并进行镇魂，原本的消防厅、圣阳教教会、东京军队以及专门供给消防装备的巨型企业“灰岛重工”分别建立了首六队，而第七及第八队属于独立于该四个阵营以外而建立的。“安德拉”是被称为地狱的异世界，圣阳教会和灰岛重工利用创造了这颗星球的圣火“安德拉爆炎”为动力，合建火力发电厂“天照”供给更多能源，成为皇国发展的中枢。
剧情大纲
太阳历198年，可以从脚喷出火焰、因而获得外号“恶魔的足迹”的少年森罗日下部加入第八特殊消防队，他的目标是实现小时候的梦想──成为英雄，同时他找出12年前烧死母亲与弟弟的神秘火灾的原因。
第八队从第五队取得的研究资料得知，有人暗中以虫为媒介制造焰人，森罗在潜入第一队调查期间，得知始作俑者被称为“传道者”，他与其旗下身穿白衣的成员(烈火星宫)交战后，得知自己具有安德拉爆炎，也得知传道者的目的。传道者的目标是透过将人变成焰人，借此寻找具有安德拉爆炎的人，在全世界点燃火焰。传道者一事惊动皇国中央，皇王下令讨伐传道者，JOKER则透露森罗的弟弟象不但仍然在世，更成为传道者麾下白衣人组织“灰焰骑士团”的团长。
第八队在一次搜查行动后与第七队结成同盟，在拉拢新成员伏尔甘入队时，与没能达成相同目的、转而谋害伏尔甘的第三队交战，森罗在该次战斗中被象瞬间击败，该次战斗也揭示了第三队长是白衣人的同伙。后来森罗接受第七队的指导并开发出必杀技，和第八队主动向灰焰骑士团出击，双方人马捉对厮杀，森罗再度与象交战，他在对战中逐渐掌握“安德拉连结”的能力，不但得以与象抗衡，两人的记忆更因此连结，让象取回记忆，但森罗最终仍重伤落败。他被送往第六队接受医治，并在痊愈后听闻了12年前自家火灾的真相。
为了理解何谓安德拉连结，森罗到第四队进行调查，期间受到“第一柱”以安德拉连结煽动并失控，却也得知传道者的目的集结具有安德拉爆炎的八个“柱”，为了调查柱，森罗等人组成调查队前往中华半岛，在当地发现另一座天照，并得知天照的动力源是柱，而传道者的目的是凑齐八柱启动天照引发大灾害。JOKER透过调查发现初代皇王、圣阳教的创立者可能是由白衣人(约拿)假冒，借此操控民众思想。由于事涉机密，这些调查成果没有对平民公布。
第八队将调查对象转为与圣阳教共建天照的灰岛重工，期间双方为了争夺被灰岛当成实验对象第六柱(烈火当初的实验对象并对他造成心理阴影)而大打出手，白衣人加入后更演变成三方混战，在第八队和灰岛重工击退白衣人后，他们得知灰岛的目的是得到另一个柱作为天照的备用能源，虽然灰岛的社长表示牺牲第一柱是维持国家运作的必要之恶，而他也愿意协助开发不需要牺牲性命的发电机。
第二队和第八队调查白衣人的地下根据地，遭遇传导者麾下的另一支紫烟骑士团伏击，在击退对方后得知被安德拉之火烧伤的人也能触发安德拉连结。白衣人开始追杀见过安德拉的人，在第四队长遇袭身亡后，消防队、教会和军队团结起来对抗白衣人，但白衣人已入侵皇国中枢，将第八队长以莫须有罪名逮捕。第八队为了救回樱备，不惜成为叛贼前往府中大监狱，在那里遇见杀害第四队长的屠杀者并与其对战。正陷入危机时受到第七队大队长红丸的援助而逃至浅草，森罗也被冠上杀害第一队大队长班兹的罪名。
故事背景为接近欧洲18世纪风情的奇耶萨尔西玛大陆，主角是一位青年魔术士欧菲，原名基利拉修罗。奇利男谢洛为了拯救对他而言有如姐姐般的阿莎莉，而展开冒险旅程。阿莎莉为了寻求更高强的魔力，而使用了天人的遗产——巴鲁多安德鲁斯之剑；结果这把剑的魔力让阿莎莉变成了龙一样的怪物，通称“血色八月”（Bloody August）。奇利男谢洛对于牙之塔（阿莎莉和奇利男谢洛原本所属的魔术士养成学校，也是大陆魔术士同盟的总部）在事件过后只想维护名声而不是想办法挽救阿莎莉的态度感到失望，于是舍弃了他原来的名字，改名为欧菲，并离开牙之塔，开始寻找让阿莎莉复原的方法。
“这虽然是游戏，但可不是闹着玩的(これは、ゲームであっても、遊びではない)。” 2022年，大厂牌电子机械制造商“ARGUS”发表了-“NERvGear”-能连结虚拟世界的机器。完全且普及的虚拟现实终于能够实现。
艾恩葛朗特篇(アインクラッド，Aincrad)
第1部。小说版：第1・2卷、第8卷、进击篇(プログレッシブ);动画版：第1-14话(第1期)
桐人(桐谷和人)是使用NERvGear 游玩VRMMORPG“Sword Art Online”的玩家。很幸运的参与过封闭测试、并买下正式版的和人，在2022年11月6日与正式营运就马上“完全潜行Full Dive”的9999名玩家一起，享受着正式版的SAO世界。
但感动是短暂的，四小时多后，桐人发现封测时确实存在的登出指令竟然消失。认为只是系统暂时出错的桐人以及开始陷入混乱的所有玩家一起被传送到开始地点广场，但头上传来的不是等待许久的故障公告，而是自称是SAO游戏设计者“茅场晶彦”的人淡淡开始的死亡游戏说明：不能登出是游戏的正常现象，只有打倒位于“艾恩葛朗特顶楼第100层的Final Boss”——达成完全攻略——才是离开这个世界唯一的方法。并且，在游戏内Game Over或是尝试脱下NERvGear，玩家会立刻被NERvGear发出的高频率微波破坏脑部而死亡。
因为恐惧的影响，最初的一个月内死亡人数就突破了2000多人，然而玩家们终究习惯了这个真实存在的异世界。两年后的今日(2024年10月17日)，尚有6000多名玩家存活，最前线已推进到第74层，桐人在第74层中使出了二刀流，并打倒了头目-青眼恶魔。在第75层中，桐人发现血盟骑士团的团长-希兹克利夫就是最终Boss茅场晶彦...
进击篇(プログレッシブ)
第1部前传。小说版：《SAOP》第1～卷;动画版：第2话(第1期)
死亡游戏开始后的一个月(2022年12月2日)，在艾恩葛朗特当中已经有约二千名玩家死亡。谁都无法突破第1层而封测玩家与一般玩家陷入一直互不相让的时候，由自称骑士的玩家迪亚贝尔主导终于举行首次的头目攻略战。于是桐人(黑色剑士)在那场第1次头目攻略战会议场合中与帮忙的少女亚丝娜(未来的血盟骑士团副团长)变成组成二人组。但是迪亚贝尔因为在楼层头目的战斗中身故的结果，桐人为了平息封测玩家与一般玩家的对立而不得已被迫自封“封弊者”的恶名，失去形象的攻略玩家们也因为攻略方针的不同而彻底分裂为二个派别，更进一步从内部煽动派别对立对玩家们对战滥杀(PK)，也就是拟意图逾越杀人界线“煽动PK集团”的样子现象。尽管桐人与亚丝娜在攻略集团当中身受立场微妙，又私底下对立与煽动PK集团派别之间的暗潮汹涌居中协商而奔走的同时亦自行前往挑战攻略艾恩葛朗特。
妖精之舞篇(フェアリィ・ダンス，Fairy Dance)
第2部。小说版：第3・4卷;动画版：第15-25话(第1期)
经过桐人(桐谷和人)和希兹克利夫在艾恩葛朗特75层的死斗后，包括桐人在内的6000名SAO玩家，回到了现实世界。但包括明日奈在内，尚有300名玩家仍然昏迷不醒。SAO的营运公司也被明日奈父亲的公司收购。在2025年1月19日，和人探望仍在病床的明日奈时，遭到明日奈父亲的养子须乡伸之的鄙视挑衅。之后和人从在艾基尔那得到了亚丝娜可能被囚禁在另一款VRMMORPG“Alfheim Online”的情报。桐人为了解救亚丝娜而进入了该游戏，初到这异世界时，遇见了自己的表妹莉法(桐谷直叶)...
幽灵子弹篇(ファントム・バレット，Phantom Bullet)
第3部。小说版：第5・6卷;动画版：第1-14话、第14.5话(第2期)
桐人(桐谷和人)在莉法等人的帮助下、打破须乡伸之阴谋救出亚丝娜后的2025年12月。
菊冈诚二郎以半威胁半利诱的方式请和人协助调查发生在VR射击游戏“Gun Gale Online”内的奇异事件：“自称‘死枪(Death Gun)’的玩家拥有枪击游戏内角色而杀死现实玩家的能力。”
第一次进入这陌生的世界的桐人，首先须适应的是自己身体成了长发伪娘，而在一阵手忙脚乱之中，遇有着天蓝色短发的女孩伸出援手，与桐人联手挑战“死枪”……
圣剑Excalibur篇(アーリー・アンド・レイト，Calibur)
外传。小说版：第8卷;动画版：第15-17话(第2期)
在结束“死枪事件”后，桐人(桐谷和人)回到ALO进行游戏，来自GGO的新伙伴“诗乃”也在ALO 建立了新角色——猫妖族弓箭手后加入了桐人的队伍。2025年12月28日，一行人决定前往ALO的“幽兹海姆”，目标取得最稀有道具“圣剑Excalibur”的新冒险。本篇故事的神话设定取自《诗体埃达》(Poetic Edda)的《皇家手稿 - 索列姆之歌(英语：Þrymskviða)》(Thrym's Poem)。
圣母圣咏篇(マザーズ・ロザリオ，Mother's Rosario)
外传。小说版：第7卷;动画版：第18-24话(第2期)
“死枪事件”结束的数周后(2026年1月)。在某次ALO大型改版时，导入了崭新的“原创剑技”系统。而在ALO的艾恩葛朗特24层出现一名谜样女孩，她以自己前所未见的十一连击原创剑技作为赌注与别人进行决斗。击败了甚至包含未开启二刀流的桐人(桐谷和人)在内的60名玩家，而赢得“绝剑”的称号。
对此产生兴趣的亚丝娜开始寻找这位拥有比桐人更快反应速度的玩家。在亚丝娜与她对决后，这名女孩邀请亚丝娜加入自己的队伍，并拜托亚丝娜一件让亚丝娜意想不到的事情。同时意外的牵扯出这名女孩背后一连串的故事。
序列之争 (オーディナル・スケール，Ordinal Scale)
是原作川原砾依据《刀剑神域》小说为基础的全新作品，并以电影化方式制作。
2026年4月，划时代的新型AR(增强现实 )专用可穿戴式装置“Augma”，搭配《序列之争 》(Ordinal Scale，OS)开始贩售。
剧情主轴承接动画版第二季的时间序之后
主条目：刀剑神域：序列之争
Alicization 篇(アリシゼーション，Alicization)
第4部前半部分(人界篇)。小说版：第9～14卷;动画版：第1-24话(第3期第1部)
“死枪事件”结束的半年后(2026年6月)，桐人(桐谷和人)答应菊冈诚二郎去参加新款OLG的测试。没想到在打工空档时，在现实世界中竟遇上艾恩葛朗特时的杀人公会“微笑棺木”、也是“死枪”事件的余党前来复仇。在和人负伤送医后，从病房中消失。亚丝娜为了寻找和人，找上茅场晶彦的恋人——神代凛子寻求其协助。
Alicization Under World 大战篇(アリシゼーション アンダーワールド大戦，Alicization War of Under World)
第4部后半部分(大战篇)，简称“WoU”。小说版：第15～18卷;动画版：第1-话(第3期第2・3部)
桐人与将人界人民变成可怕武器的“公理教会”以及身为人界统治者系统管理者亚多米尼.史特蕾达的艰苦战斗结束的代价是尤吉欧过世与本身失去意志。与桐人并肩作战的“整合骑士”爱丽丝带着桐人远离卢利特村过着与世无争的生活。但是知情人界与暗之国的全面战争一触即发的爱丽丝带着桐人前往战场。另一方面在现实世界当中设置Under World的“海龟”设施因为神秘袭击者们而受到占领。亚丝娜携手桐人为营救苏醒的完全人工智能爱丽丝决定登入Under World。然后开始率领袭击者们取得人类灵魂的加百列也以暗神贝库达身份登入Under World并拟以侵略人界夺取爱丽丝，虽然这样拉大对抗爱丽丝们人界军战力落差之际因为亚丝娜以创世神史提西亚之姿降临参战而扭转。但是因为海外VRMMO玩家大量投入的策略使得双方陷入混乱，爱丽丝因为加百列趁火打劫不幸地被绑架而人界军与暗之国军暂时停战遂转向营救，在那里出现的是同样化身女神的莉法与诗乃，响应结衣的愿望而前来营救的克莱因们日本的VRMMO玩家们。再次陷入战况当中是这次身为加百列部属的瓦沙克是SAO最坏的杀人魔PoH率领全新的势力，对着亚丝娜们的身心穷追不舍。
Moon cradle 篇(ムーン・クレイドル，Moon Cradle)
第4部外传。小说版：第19・20卷
桐人与亚丝娜被困Under World 200年期间初期发生的故事。
在大战终结而成为一个Under World当中人界与暗之国的人们开始往来，成为人界方代表的桐人考虑到这种和平无法长久、应该避免争端而向Under World宣传着现实世界的先进技术。在那当中不幸再次发生不应该发生的杀人事件，在这事态之际桐人开始与成为见习整合骑士的学妹骑士罗妮耶共同搜查。
Unital Ring 篇(ユナイタル・リング，Unital Ring)
第5部。小说版：第21卷、第23～卷
桐人与亚丝娜从Under World回归现实世界一个半月之后(2026年9月)，虽然在现实世界获得身躯的爱丽丝面貌就在ALO小木屋中的桐人与亚丝娜们身旁，却不幸地突然遭到强制转移到谜一般的游戏“Unital Ring”。强制转移开启了来自超过数百种虚拟世界将近数十万玩家规模人数的残酷开放世界生存游戏的序幕。