2022年，人类的科技力终于得以将完全的网络虚拟空间实际制造出来。大厂牌电子机械制造商“ARGUS”开发出了名为“NERvGear”的新世代民用终端，使得完全网络虚拟空间潜行能够被利用到了一般的网游之中，而《SAO》——刀剑神域便是首个利用该先进技术的大型VRMMO。
桐谷和人，一名年轻的网游玩家，便是使用NERvGear玩《SAO》的先行者玩家之一。他很幸运——抑或说不幸地获得了参与封闭测试的资格，并在游戏正式上线营运之日就迫不及待地戴上头盔造型的“NERvGear”，以“完全潜行”的状态和其他9500名玩家一起，开始享受起了正式版的SAO世界。但很快，新鲜感带来的愉悦就变成了未知的不安。SAO正式上线4小时后，正和好友组队的和人发现封测时确实存在的“退出"指令竟然从指令控制面板上消失了。虽然和人以为这只是暂时的系统BUG而未加在意，但很快，他就和其他全部玩家一道被传送到了游戏的开始之地——起始广场。 而在广场上等待着他们的，是自称SAO游戏设计者的科学天才——“茅场晶彦”的死亡游戏说明：不能退出是游戏的正常现象，只有打倒位于“艾恩葛朗特”顶楼100层的魔王——即达成“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，现实中的玩家也会立刻被NERvGear发出的高出力微波破坏脑部而死亡。
突如其来的恐惧，导致最初的一个月内死亡人数就突破了2000，然而渐渐地，玩家们开始习惯了这个“真实的虚拟世界”，两年之后，尚有6000名玩家存活，最前线已推进到第74层……而桐谷和人，则化身成名为“桐人”的黑衣剑士，开始谱写他作为一名独行玩家的冒险篇章。
SAO事件已经过去了一年，某日，桐人接到了来自总务省“虚拟课”菊冈诚二郎的奇怪委托。那是突然发生在充斥枪械与钢铁的VRMMO《Gun Gale Online》里的“死枪”事件。被拿着漆黑之枪的谜之角色所击中的玩家，在现实世界里也会随之“死亡”……无法拒绝的桐人答应帮助调查，虽然对于“虚拟世界”对“现实世界”产生物理影响这件事感到怀疑，但他还是登录了“GGO”。 桐人将自己在ALO里的游戏转移到GGO里后，虽然遇上了乍看之下很容易被误认为是美少女角色的麻烦，但在经过狙击手少女诗乃的引导之后，顺利参加了决定最强枪手的PvP淘汰赛“BoB”（Bullet of Bullets）。桐人在这个被枪支配的世界里，成为了唯一使用光剑战斗，并不断在“BoB”里获胜的知名角色。他独特的战斗方式成为了玩家间讨论的焦点，知名度也不断上升。 次日，隔天举办的“BoB”正式大赛开始了。在聚集了许多强敌的“诸神之黄昏”中，“死枪”终于现出身影。“死枪”究竟是什么人？“虚拟世界”真的能对“真实世界”产生影响吗？桐人即将独自挑战“死枪”！
察觉到的时候，桐人不知为什么陷入了庞大的幻想风格虚拟世界。登录前的记忆模糊不清，只得在周围徘徊寻找线索。 之后，来到漆黑的巨树“基家斯西达”旁边的他，同一名少年相遇了。“我的名字是尤吉欧。请多关照，桐人君。”少年是在虚拟世界的居民――即“NPC”，但是却如同人类一样拥有“丰富感情”。 在和尤吉欧加深交往的同时，桐人也在摸索着登出这个世界的方法。在桐人的脑海中，某一个记忆苏醒了。那是幼年时的桐人和尤吉欧在山野奔跑的记忆――原本，不可能存在的记忆。而在那个回忆中，除了尤吉欧还有一个金发少女的身影。她的名字，是爱丽丝。绝对不应该忘记的、重要的名字。
剧场版：序列争战：2022年，天才编程者茅场晶彦所开发的世界最早的完全潜行专用装备设备“NERvGear”。 这个革命性的机器给VR（假想现实）世界带来了无限的可能性。那之后经过了4年。 “NERvGear”的后继品VR机为了对抗“AmuSphere”（第二代民用完全潜行机），发售了一个次世代的可穿戴设备“Augma”。 替换了完全潜行机能，是一个对AR（增强现实）功能进行了最大限度扩大的最先进机种。 由于“Augma”在觉醒状态下也可以安全和便利地使用，因此一瞬间便在玩家当中传开了。 这个杀手级内容，被叫做“O
