“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。
本故事的世界观被设定为一个人族与鬼族共同生存在一起的世界，人鬼之间通过合约维持着和平。
2045年秋，十一岁的诺曼、雷与艾玛是孤儿院“Grace Field House”(GF)最年长的三位孩童，他们和孤儿院的其他孩子过着充实幸福的生活。表面上看来，他们的生活就像梦境一般美好，无论是可口的食物、整洁的制服、规律的作息还是温柔的“妈妈”。在孤儿院里的孩子们6岁起就可能幸运地被人领养，最晚也不会超过12岁。孤儿院的图书室里面的图书告诉孤儿院的孩子们孤儿院外面世界的景象，但是除了被领养，他们从来没有真正从孤儿院出去过，并且严格遵守着不能离开大门、跨出孤儿院四周的森林中包围着孤儿院的栅栏的规则。
在六岁的科尼离开的晚上，诺曼和艾玛发现她离去时忘了带走最心爱的娃娃，违反规定追到了大门之后，他们发现科尼实际上已经死掉，在偷听到周围鬼的谈话以后，在双面间谍雷的帮助下，他们逐渐去了解这个世界残酷的真面目。而人类中的重要人物詹姆斯·拉脱里也在暗中帮助着孩子们。他们所在的孤儿院其实是由鬼族贵族设立的专门饲养用于给鬼族食用的儿童(食用儿童)的饲养场(农场);那些离开的被领养的孩子，实际上是被鬼族用伟达花杀死并准备作为食物的，而鬼族最为享受的部位是孩子的脑，为了吃到品质上乘的脑，鬼族选择使用孤儿院的方式培养食用儿，通过幸福的生活让脑能够更好发育;他们温柔的妈妈也只不过是鬼族方面的“饲育员”而已，是他们的敌人。为了能够活下来而不是注定作为鬼的食物生存在虚假的幸福之中，诺曼、雷和艾玛决定带领孤儿院的孩子们逃离孤儿院。在经历了失败和不懈的努力之后，他们终于和孤儿院的一部分孩子们逃出了他们所在的孤儿院，翻过孤儿院周围高高的围墙和深深的悬崖到达了孤儿院外面的森林。
在离开孤儿院以后，孩子们见识到了更多，了解到了关于人和鬼更多的真相，实际上，提供用于给鬼食用的人类是经过人类和鬼的合约确认的，他们的目标也变为让所有食用儿不再成为鬼的食物。在艾玛的领导下孩子们更加直接地和鬼对抗，他们和凶残的敌人在黄金池塘等地进行了惨烈的战斗;他们也遇到了从其他农场逃离的食用儿以及和他们有着共同主张的其他人和鬼。为了能够实现目标，他们不断地努力着……
农场(農園)
专门饲养供鬼食用的人类的场所。已知农场目前分为三种，包括量产型农场、高级农场及特殊实验农场。
量产型农场
走工业化模式，其生产模式是大规模集中机械式培育低品质的人类，培养方式仅止于将人养活养肥，时间到了就出货。这类农场在鬼界有数百个(50话)。
高级农场
虽然少量生产，但以精致栽培高品质人类为导向，此处的食用儿成长至一定年龄就会被“出货”宰杀。各农场的出货最大年龄有所不同，已知GF为十二岁，GB为十五岁。目前高级农场只有四处，分别为GF(Grace Field 恩典农场)、GB(Glory Bell 荣耀之铃)、GV(Grand Valley 雄伟山谷)、GR(Goodwill Ridge 善意山脊)四个农场。每座农场底下配置五个“孤儿院”(农场)，如艾玛他们所成长的“孤儿院”就称为“第三农场”。
特殊实验农场
目前只有一处，就是“Λ7214 ”，烙印位置在左胸(亚当、诺曼)。在74话时，画面是镜子中的诺曼，故位置看似相反。
秘密房间
GF农场内有养育者“妈妈”伊莎贝拉专门与鬼总部通讯的秘密房间，它隐藏在盥洗室及伊莎贝拉的书房间，是个大多数孩子都不知道的小房间。
一开始只有从幼时就明白真相的雷知道，真相曝光后，一心想确认的冬、吉尔达曾闯进去。进入方式是从伊莎贝拉书房中的书柜打开暗门，前方亦有一道上锁的门，可以用GF的万用钥匙打开。房间里有伊莎贝拉用来联络总部的通讯机、历年的成绩纪录本，以及历届已出货孩子当时带走的的玩具和私人用品(均为伊莎贝拉在孩子出货后私自保留)，其中也包括科尼的兔子玩偶。就此之后，冬和吉尔达开始相信艾玛他们所说的真相。
地球被不明生物入侵造成大规模的破坏，残存的人类组织要塞都市，于“巨大浮岛”上透过研发出名为“HHG”魔导装甲来对抗怪物。
从小被抛弃，过着孤独的生活的导弹伤无，在某天被姐姐怜悧叫去，造访战略防卫学园阿塔拉克西亚（Ataraxia），邂逅了操纵魔导装甲“HHG”的少女千鸟渊爱音，结果刚到没多久就遭到敌袭。但爱音突然把衣服脱掉并大骂“不准看你这个变态！”，让伤无不知所措。而这时却突然接获姐姐的重要任务联络──内容是要使劲揉爱音的胸部。其实伤无拥有透过H行为“改装”女孩子的力量，而这种力量更关乎与异世界战斗的未来。