本作品主角"三桥廉"是个希望自己成为所属球队王牌投手的少年，在中学时期被认为靠着爷爷是三星学园经营者的关系，才能成为该校棒球部的王牌投手，因此队友对三桥有着极大的反感，在比赛中捕手不愿意引导三桥，其他队友在守备上也没有全力配合，任凭三桥独自一人在投手丘上面对打者，结果不但造成其在中学三年一胜难求，更导致他懦弱、自卑又孤僻的个性，甚至一度考虑放弃棒球。
希望自己有所改变的三桥在毕业后决定不直升三星学园的高等部，转赴埼玉县投考高校，并进入县立西浦高校就读。他在社团展览徘徊，之后抱着只是看看的心情走到棒球部，没想到意外被监督百枝麻里亚半强迫地加入，而且是全队唯一具有投手经验的成员，顺理成章成为西浦高校棒球部的投手。该校棒球部全体成员都是一年级，且刚从软式棒球部转型成硬式棒球部。三桥在捕手阿部隆也的引导下发挥出苦练而成的极精准控球能力，透过一场场的比赛、兼顾技术及心理层面的严格训练及队友间的紧密互动逐渐找到自信心及朋友间的信任感，全队携手朝着甲子园优胜的目标迈进。
创作背景
作者樋口朝毕业于埼玉县立浦和西高等学校，而故事舞台的埼玉县立西浦高校是以作者母校为蓝本。故事是以主角三桥廉就读西浦高校并意外加入该校刚从软式转型成硬式的棒球部，十名成员都是一年级的新生做为开始。本作在校园、运动场的风景等亦完整呈现出来。作者自己常常访问母校的棒球部，亦长期观察棒球部的练习。在作品中登场的车站和棒球场也按照实物描绘。
也因为这部作品的大风行，作者的母校就以这部动画的画面作为首页的宣传图。
主要登场学校
西浦高校
是本作品的主角学校，其原型是作者樋口朝的高中母校埼玉县立浦和西高等学校。西浦高校是一所公立的共学（男女合校）私服校。本学年将学校的软式棒球部改成硬式棒球部，所招收到的十名选手皆是一年级，并且聘请软式棒球部时代的校友百枝麻里亚（女性）担任监督。指导老师为志贺刚司，经理为筱冈千代。
武藏野第一高校
武藏野第一高校是本作动画版特别篇“基本中的基本”的故事舞台。是一所足球部的比赛成绩与名气皆大大优于棒球部的学校。由于无法招收到技术方面较为优秀的选手，因此在各项比赛当中往往是第一战就败北。但是从去年秋季大会开始，在阵中王牌投手榛名元希带领下，战绩大幅提升，今年夏季大会更名列C种子学校。
桐青高校
桐青高校是西浦高校在夏季大会（全国高校野球选手权大会，又称“夏季甲子园”）埼玉县大会初战（二回战）的对战学校。基督教的教会学校，中高一贯。曾于去年夏季大会获得埼玉县优胜而打进甲子园（即全国大会）。传统上，棒球部每年都会让一位高一选手成为正选；同时，除了三年级之外的选手背号都很大，则是该校的另一项传统。
三星学园
是本作主角三桥廉的中学母校。位于群马县，是“中、高一贯校”（中国台湾称为“完全中学”），采男女同校但分班的管理方式，理事长是三桥的祖父。该校高中部以体育推荐的方式招收来自他县的学生。中学时期的三桥虽然是该校棒球部中学部的王牌投手，却因为三年来一胜难求及和队友相处上的困难而度过了十分不愉快的中学生活。
此校的原型是位于大阪的PL学园高等学校。
埼玉高校
是西浦高校在夏季大会三回战的对战学校。埼玉县立的农业高校。棒球部成员共十一人，其中仅有一位三年级学生，故以一、二年级学生为主。春季大会因为社团人数不足而没有参赛，夏季大会在阵中打击率将近百分之百的第五棒，捕手佐仓大地的带领下，连过两关打进三回战。
美丞大狭山高中
是西浦高校在夏季大会五回战的对战学校。监督为两名年轻男性。其中一名仲泽吕佳则是桐青高中候补捕手仲泽利央的哥哥，另一名为滝井朋也。有三名投手，三位都并没有相当出色，但拥有各自擅长的领域。与西浦高中对战时，借由桐青捕手的帮助，充分了解并解读了西浦。
“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。
圣玛格诺利亚共和国每天都遭受着邻国“帝国”的无人兵器“军团Legion”的侵略。万幸的是，共和国也成功研发出同型兵器以应对其攻势，并勉强在没有人员伤亡的情况下，化解了来自邻国的威胁。
明面上确实没有人员伤亡，可是，实际上伤亡者并非为零。因为在共和国85区之外，还存在着一个不存在的“第86区”，而被烙上“86”印记的少年少女们会驾驶着“有人驾驶的无人机Regios”，并日以继夜地战斗着。
率领着年轻士兵昂首迈向黄泉的少年辛，与从大后方通过某种特殊的通信手段指挥着他们作战、名为蕾娜的少女指挥管制官(Handler)，发生在他们两人之间激烈又悲惨的战斗以及离别的故事，在此拉开帷幕。