上条当麻是学园都市的一名高中生。在这座位于东京都西部的封闭都市中，学生占到了总人口的八成，“超能力开发”被列为绝大多数学生的必修课，在Level 0到Level 5的等级排名上相互竞争。不幸地，上条当麻被评定为无能力者；但他的右手有着能将一切异能消除的不明力量，他本人称其为“幻想杀手”。似乎是连同神的祝福一同抹杀的关系，他每天都过着不幸的生活。
暑假的一天，在宿舍的阳台上，上条当麻遇见了一位挂在阳台栏杆上的修女。她自称“禁书目录Index”，脑海中装有十万三千册“魔道书”，正在从不为人所知的“魔法”世界逃亡。就这样，上条一脚踏进了魔法与科学的纷争。
本作的世界观以现实世界为蓝本，但并未说明详细历史时期，大致可以推测故事发生在虚构的近未来[d]。其历史与现实世界有共通点（如前两次世界大战、冷战等；亚雷斯塔更是现实中存在的人物），但也有显著的差异。
学园都市是科学势力的大本营，同时也是本作的主要舞台。位于日本东京西部，居住着230万人口，其中八成人口是学生，而这些学生大都是超能力开发的实验对象。学园都市具有领先世界20-30年的科技实力，掌握着多种近未来高科技兵器，并公开地培养超能力者；事实上是由统括理事会所主导的、严格封闭的国中之国。
而魔法势力则较为分散，主要由名目繁多的宗教组织和魔法结社构成，也有不属于任何组织的魔法师存在。教会势力中，十字教有三大主要教派：英国清教、罗马正教和俄罗斯正教（分别以英国圣公会、天主教和东正教为原型）；而魔法结社则包括以黄金黎明为源头的黄金系结社、依靠北欧神话理论的“捣蛋鬼”，阿兹特克系的“有翼者的归来”等。魔法势力之间常会出于各自不同的目的互相斗争，魔法师出于个人信念私自行动的现象也广泛存在。
在魔法势力与科学势力之外，尚有两不从属的一般组织与国家，如美国；作品中也出现了许多虚构的政权，除学园都市外，还有“伊莉沙里纳独立国同盟”、“巴格吉城”等。
本作中，除“现实世界”之外，尚存在更高等级的、无法以一般手段探知的其他次元的“位相”；神、魔神、天使、妖精、无法以语言名状的高等级存在[e]，也均在作品中有所提及。
故事发生在面积占据东京都的三分之一，居住着230万名人口且其中八成人口是学生的巨大都市“学园都市”。学园都市的学生均会接受超能力开发，借由药物、催眠术与通电刺激等方式取得超能力。能力者以范围和威力分为无能力者Level 0至超能力者Level 5。
主角御坂美琴是学园都市中仅七位超能力者Level 5的其中一人，排行第三。她是拥有操纵电击能力的“电击使”，因其特有的绝招(将硬币以音速的3倍的初始速度发射)“超电磁炮Railgun”而得名。
本作通过美琴的视角来描绘学园都市的平常而不平凡的日常生活，也叙述学园都市秘密进行非人道性质的实验，从而使大家对于本作及本篇《魔法禁书目录》的背景(世界观中科学侧)的认识慢慢变得清楚。
“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。