外表平凡的安艺伦也（松冈祯丞 配音）是一个标准的御宅族，对ACG文化十分着迷的同时，亦是同时游戏社团的制作人。某日，安艺伦也遇见了名为加藤惠（安野希世乃 配音）的少女，尽管走在人群中的惠毫不起眼，没有任何特色，但安艺伦也还是情不自禁的喜欢上了这个身上散发着奇妙气场的少女。　　将少女的样貌牢牢的记在心里，安艺伦也以惠的样子作为设定，设计了一款同人游戏。让安艺伦也没有想到的是，之后，惠竟然成为了他的同班同学，亦成为了他同人游戏制作团队中的一份子。混血少女英梨梨（大西沙织 配音）、文静学姐霞之丘诗羽，不得了的角色一个接着一个地加入了安艺伦也的同人社团。

故事的主人公黑铁一辉虽有着成为能将灵魂转化为魔剑的“魔导骑士”的目标，但由于自身没有魔法方面的才能而被他人戏称为“落第骑士”。不过，在与来自异国的公主——有名且最强的“A级骑士”史黛菈・法米利昂相遇后，一辉的学院生活发生了改变。

表面看来，安艺伦也（松冈祯丞 配音）只是一个平凡的少年，实际上，他还有另一重身份——同人游戏社团“Blessing software”的制作人。一次偶然中，伦也邂逅了名为加藤惠（安野希世乃 配音）的可爱女孩，发现了加藤惠独特魅力的伦也，决定让她成为自己制作的GAL游戏的女主角。　　伦也的青梅竹马，拥有校园精英和邋遢家里蹲双重面目的英梨梨（大西沙织 配音）、寡言少语，曾出版过超畅销恋爱轻小说的学姐霞之丘诗羽（茅野爱衣 配音）、乐队“icy tail”的主唱，对二次元文化抱有偏见的冰堂美智留（矢作纱友里 配音），这些性格迥异的女孩们接连加入了伦也的游戏制作计划中。

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《Ordinal Scale序列之争（OS）》，是《Augma》专用的ARMMO RPG。　　亚斯娜和伙伴们会玩的这个游戏，桐人也准备参战了。。。。

2022年，人类实现了现实世界和假想空间的融合，电子制造商开发了名为《刀剑神域（Sword Art Online）》的在线电子游戏。SAO甫一面世便大受好评，限量一万份的名额在发售当天的短时间内便被抢购一空。通过联网，玩家可以身临其境进入充满想象力和异域风情的游戏世界——浮游城市艾恩葛朗特。玩家在这里可以生活、练武、升级、经商、探险，与真实世界别无二致，却拥有无上的乐趣。曾是少数封测玩家的桐人（松冈祯丞 配音）也是这一万名幸运者中的一员。最初的兴奋过后，玩家们却发现根本无法顺利登出游戏，更为恐怖的是，一旦玩家的HP归零，现实世界中他们的肉体也将死亡。他们被SAO的开发者茅场晶彦（山寺宏一 配音）困在游戏中，顺利逃脱的方法似乎只有一个，那就是完成困难重重的攻略任务…… 本片根据川原砾的轻小说改编。

桐人为了调查枪与钢铁的VRMMO「Gun Gale Online」里所发生的“死枪”事件而登陆了该游戏。　　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”。　　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“多人大混战”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”！

“这里……是哪儿……”　　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。

以《最终负荷实验》为名，将Underworld全土卷入的《人界》军与暗之军势的战争。　　战局逐渐转变为企图夺取《光之巫女》爱丽丝的《黑暗领域》军加百列一派，　　与致力于守护Underworld的《人界》军亚丝娜等人之间的战争。　　在桐人仍然沉睡于精神世界的深处之时，《暗黑神贝库达》即加百列　　从现实世界中让数万美国玩家登录，企图一举歼灭《人界》军。　　相对地，亚丝娜等人利用以Underworld创世神冠名的3个超级账号展开对抗。　　获得了《创世神史提西亚》超级账号的亚丝娜，　　和《人界》军一同与美国玩家展开死战，　　而获得了《太阳神索鲁斯》超级账号的诗乃，则追赶着带走了爱丽丝的加百列。　　随后，获得了《地神提拉利亚》超级账号的莉法，也抵达了Underworld。　　不仅如此。呼应了莉兹贝特充满气势的演说的《ALO》玩家们，　　将千锤百炼的角色进行转移，加入《人界》军一方参战！　　这场大战不只关系到Underworld的存续。　　还是赌上了作为究极AI的自律学习型人工智能，甚至人类未来的战斗。　　而大战的终点，如今正握在沉睡中的一名少年——《黑色剑士》的手中。　　《Alicization》篇，在此完结！

为了想看鲸鱼的结衣，桐人等人一起挑战 ALO 世界的水中任务，但却发现莉法不会游泳的惊愕事实，于是亚丝娜、西莉卡、莉兹贝特等人决定在现实世界的室内游泳池为她做特训…...，而桐人要与某人见面。

桐人、尤吉欧、爱丽丝。距离两名修剑士和一名整合骑士打败了最高祭司阿多米尼斯多雷特已过去了半年。　　结束了战斗，爱丽丝在故乡卢利特村生活。在她的身旁，是失去了挚友，自己也失去了手臂和心的桐人。　　献身般支撑着他的爱丽丝，丝毫没有保留像以前一样作为骑士的心。　　“告诉我，桐人……我究竟该怎么办？”　　然而，通往将Underworld全境引向悲剧的“最终压力测试”的倒计时，却毫不留情地推进着。　　仿佛与之相呼应一般，在“黑暗领域”的深处，暗黑神贝库达复活了。他率领暗黑帝国的军队，为了得到“光之巫女”，开始向“人界”进攻。　　指挥“人界”军队的贝尔库利等人，决心与“黑暗领域”的军队展开前所未有的大战。　　但在他们身旁，并没有发现爱丽丝，以及拯救了“人界”的两位英雄的身影。　　《刀剑神域》系列最长、拥有最华丽战斗的“Alicization”篇，其最终章终于揭幕！