故事舞台是公元2078年，日常中残留些微魔法的长崎市。主角是魔法使一族的末裔、17岁的月白瞳美，是个从小就仅能看见黑白二色的世界、对人闭上心扉、讨厌魔法的女孩。有天，她的祖母-大魔法使月白琥珀使用时间魔法将她送往60年前，并要求她去见17岁的自己。
来到公元2018年的时空，瞳美掉入葵唯翔的房间，从窗户离去时被与唯翔同社团的川合胡桃和风野浅葱看见。众人误以为是唯翔的女朋友，并带她前往月白家的魔法屋，由于高中的琥珀正在英国留学，她便接受月白家的收留。其后瞳美发现家传耳饰遗失，透过魔法找到遗落于唯翔的房间，与唯翔交谈时解释所有误会系源自魔法失误，并意外发现她可以看见唯翔绘画作品的色彩，想进一步询问却被唯翔拒绝。
月白家安排瞳美入读南丘高中，到校初日再度遇上摄影美术社成员。为澄清朋友误会，唯翔要求瞳美施展魔法证明身份（证明瞳美为魔法师且确实是因为魔法失误而出现在唯翔房间），不擅魔法的瞳美勉强施展但魔法呈现效果不佳，场面尴尬。而后独处时唯翔答应再给瞳美观赏绘画作品，并表示期待她能成功学会魔法。社团招生体验活动后，瞳美加入摄影美术社。
收到消息的琥珀提早结束留学回到日本与瞳美见面，个性开朗的琥珀很快与摄影美术社成员结识，并且鼓励瞳美告诉同社成员自己来自未来的身份。后琥珀以魔法使身份入社，社团改名为魔法摄影美术社。
此时唯翔创作遇到瓶颈，为鼓励唯翔，瞳美在琥珀指导下成功自制魔法星砂相赠。社团外出活动时，瞳美无意识地发动魔法进入唯翔画中世界，发现画作深处出现各种阴郁、负面的图案，她查觉此为唯翔内心黑暗面，以及他想放弃绘画的挣扎，追问之下引起唯翔强烈反感而离去，关系转僵。事后唯翔对瞳美道歉，承诺不会放弃创作，并希望瞳美能在他的作品中找回失去的色彩，两人和好后瞳美短暂恢复色觉。琥珀对瞳美暂时恢复色觉的契机展开调查，告知瞳美她可能在无意识间施展魔法封印自身色觉，而为了调查解除条件，琥珀让唯翔和瞳美进行各种相处，初始别扭的两人在实验后开始以名字相称。
随着对社团的投入，瞳美对摄影愈加热忱，向社长山吹将学习技巧，将却于两人独处时告白，不知如何回应的瞳美开始缺席社团活动，随后决定正面回复拒绝将的心意。同时暗恋将的浅葱在察觉到将的告白后不知所措而回避著瞳美，但在两人坦白心意后，很快就重修旧好。
琥珀决定在文化祭举办可让大家进入画作游玩的活动。唯翔负责作画，瞳美则在琥珀指导下成功练成进入画作的高级魔法。众社员一同遨游画作世界时，唯翔在未知深处遇见年幼的瞳美，对话过程中唯翔发现她早已封闭内心情感。魔法结束后瞳美告知唯翔自己的过去母亲是月白家首个不会魔法的成员，在自己成功使用魔法后抛弃她离家而去。瞳美归咎于自己为了使用魔法讨母亲欢心，却没考量到母亲对于无法使用魔法的厌恶，瞳美由此开始讨厌魔法、封闭内心，并把所有结果（包括失去色觉之事）当作惩罚概括承受。吐露心事的瞳美在唯翔极力开导下改变自责的心态，并感到如释重负。
文化祭前夕瞳美多次凭空消失又出现，但本人对消失期间发生的事情毫无印象。琥珀判断此为发动时间魔法后，时空修正现象把时空旅人拉入时间缝隙中，因此瞳美才会凭空消失。必须尽快于魔法效果最强的新月之时、同时也是文化季最终日，将瞳美送回未来，否则她将永远受困在时间缝隙。众人开始协助搜集时间魔法所需的大量高级星砂，但瞳美对于是否该回去一事十分纠结，她不想离开同社团的伙伴，特别是失去与唯翔的牵绊。回到家中，瞳美将思慕之情写于纸飞机上，并利用魔法传送给唯翔，随后两人在夜晚独自碰面，互相倾诉思念。
最后时间里，瞳美和众人度过难忘的文化祭。时间魔法发动期间，众人一一与瞳美道别，但唯翔仅简短告别而未表白心意。突然间魔法失控，瞳美跟前来相救的唯翔落入未知空间。此时两人终于说出心里话，感谢对方拯救了自己封闭的内心，并互相告白。而后未知空间随即解除，瞳美的色觉完全恢复，并成功回到未来。但琥珀察觉自己的时间魔法其实并未成功，原来最初60年后的自己在使用时间魔法时，早已设定当瞳美解开施加在自己身上的魔法时，就是她时空旅行的极限。所以瞳美带来的信件中并未提及将她送回未来的方法，就是因为她清楚知道高中时的琥珀无法驾驭。故琥珀暗自下定决心，要持续精进实力成为伟大的魔法使。
回到60年后的瞳美，终于理解祖母用意，明白自己也可以追求幸福。回到魔法屋，琥珀拿出社团成员们为瞳美准备的时光胶囊。由于时空旅人无法携带行李，他们决定把当时的相片制作成相簿，送给未来的瞳美留作纪念。唯翔则为瞳美创作名为“七彩的企鹅”绘本，讲述黑白企鹅（象征瞳美）和各种动物（社团伙伴们）的故事，而该绘本正是瞳美年幼时常与母亲一起阅读的书，在瞳美失去色觉后，七彩的企鹅绘本也成为瞳美唯一可以看见色彩的物品。
回到学校，瞳美主动和同学攀谈，并重新加入魔法摄影美术部，开启了拥有色彩的人生。而故事尾声时，瞳美独自到墓园追悼的未知坟墓，对象可能为瞳美的高祖母、曾祖父母、母亲、甚至是唯翔（依最终话唯翔开头之独白推测），然真相为何则留待观众自行想像。
每集列表
| 集数 | 标题 | 导演 | 编剧 | 分镜 | 作画监督 | 首播日期 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 你应去往之地 （キミノイクベキトコロ） |
浅井义之 | 柿原优子 | 篠原俊哉 | 小岛明日香、宫崎司 井上裕亮、秋山有希 |
2018年10月6日 |
| 2 | 魔法什么的最讨厌了 （魔法なんて大キライ） |
今泉贤一 | 柿原优子 | 篠原俊哉 | 小野和美、五月女义幸 大东百合惠、福井麻纪 宫崎司、小岛明日香、舆石晓 |
2018年10月13日 |
| 3 | 空雨无虹 （No Rain, No Rainbow） |
阿部百合子 | 柿原优子 | 冢田夏央 | 井上裕亮、宫崎司 小岛明日香、川面恒介 |
2018年10月20日 |
| 4 | 不许叫我奶奶！ （おばあちゃんはヤメテ！） |
松林唯人 | 柿原优子 | 篠原俊哉 | 森岛范子、宫川智惠子、佐藤このみ 山口保则、川面恒介、水野纱世 小岛明日香、井上裕亮、宫崎司 |
2018年10月27日 |
| 5 | 小小的配方 （ささやかなレシピ） |
浅井义之 | 柿原优子 | 浅井义之 | 井上裕亮、小岛明日香 宫崎司、水野纱世、川方春香 川面恒介、福井麻记 |
2018年11月3日 |
| 6 | 金色的鱼 （金色のサカナ） |
高村彰 | 柿原优子 | 篠原俊哉 | 川面恒介、水野纱世、山方春香 井上裕亮、小岛明日香、宫崎司 锅田香代子、中山美雪 柴田裕司、小笠原忧 |
2018年11月10日 |
| 7 | 维纳斯的重负 （ヴィーナスの重荷） |
宫泽良太 | 中西やすひろ | 高村彰 | 池原百合子、半田大贵 樱井木之实、川面恒介 小岛明日香、井上裕亮、宫崎司 水野纱世、山方春香、秋山有希 |
2018年11月17日 |
| 8 | 裂缝的碎片 （ほころびのカケラ） |
小林孝嗣 | 柿原优子 | 冈村天斋 | 小畑贤、挽本敦子、桐谷真咲 坂友加里、谷口律子、桥本明日美 樱井木之实、小岛明日香、宫崎司 井上裕亮、山方春香、水野纱世 |
2018年11月24日 |
| 9 | 仿徨的话语 （さまよう言葉） |
松林唯人 藤井康雄 |
中西やすひろ | 松林唯人 | 井上裕亮、宫崎司、水野纱世 山方春香、小岛明日香、中山美雪 竹本未希、小笠原忧、宫下雄次 山口保则、佐藤このみ、祝部由香 |
2018年12月1日 |
| 10 | 黑白的蜡笔 （モノクロのクレヨン） |
本间修 | 中西やすひろ | 菅沼芙实彦 藤井康雄 篠原俊哉 |
中山美雪、水野纱世、宫下雄次 山方春香、井上裕亮、宫崎司 佐藤このみ、竹本未希、小岛明日香 三浦菜奈 |
2018年12月8日 |
| 11 | 渐亏之月 （欠けていく月） |
阿部百合子 高村彰 |
柿原优子 | 阿部百合子 | 小岛明日香、宫崎司、井上裕亮 山方春香、水野纱世、秋山有希 中山美雪、竹本未希、宫下雄次 |
2018年12月15日 |
| 12 | 闪耀 闪耀 闪耀满天 （光る光るこの一日が光る） |
松林唯人 | 柿原优子 | 浅井义之 | 井上裕亮、水野纱世、山方春香 宫崎司、小岛明日香、中山美雪 竹本未希、宫下雄次 |
2018年12月22日 |
| 13 | 来自多彩世界的明天 （色づく世界の明日から） |
篠原俊哉 藤井康雄 宫泽良太 |
柿原优子 | 冈村天斋 篠原俊哉 |
秋山有希、水野纱世、宫崎司 山方春香、小岛明日香、井上裕亮 椛岛洋介、中山美雪、竹本未希 宫下雄次、小笠原忧 |
2018年12月29日 |
古见硝子是超级美少女，站着就是艺术，坐着就是绝赞，走三步就有人告白，可是有交流障碍症。
入学第一天遇上只野仁人，只野在得知古见硝子有交流障碍症，并且希望能够交到一百位朋友后主动协助她。但是在高升学率却怪人云集的私立伊旦高校，以只野的普通交流能力想要帮硝子交到朋友，可谓前途多难。
“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。