Pada tahun 2022, permainan video berperanan berganda dalam talian realiti maya (VRMMORPG) juga dikenali sebagai Sword Art Online (SAO) mula dijual mempunyai peralatan seperti NerveGear, topi keledar yang merangsang pancaindera pengguna melalui otak seseorang, pemain boleh mengalami dan mengawal watak-watak dalam permainan mereka mengunakan fikiran mereka. VRMMORPG dan NerveGear direka oleh Kayaba Akihiko.

Pada 6 November, 10,000 pemain log masuk ke dunia ruang siber SAO buat pertama kali. Secara tiba-tiba, semua pemain tidak boleh log keluar. Seorang mahluk misteri bernama Kayaba Akihiko muncul dalam bentuk hologram dan memberitahu pemain bahawa mereka mesti mengalahkan kesemua ketua (bos) di setiap aras sehingga aras ke-100 Aincrad sebuah istana keluli dalam dunia maya SAO, jika seseorang mahu bebas dari dunia maya. Seseorang yang mati dalam permainan mengakibatkan NerveGear menghasilkan gelombang yang berbahaya kepada otak yang akan menyebabkan kematian dalam dunia realiti.

Salah seorang pemain, Kazuto Kirigaya atau dikenali sebagai Kirito, ialah seorang daripada 1,000 penguji dalam program beta tertutup permainan tersebut. Dengan kelebihan pengalaman permainan VR sebelumnya, dia berazam melindungi pemain beta lain daripada diskriminasi, beliau mengasingkan diri daripada kumpulan yang lebih besar dan bermain secara seorang diri sambil memakai gelaran "penewas", "penguji beta" dan "penipu". Kirito berjumpa seorang gadis bernama Yuuki Asuna. Mereka berjuang bersama-sama untuk mengalahkan ketua di aras ke-100. Kayaba ialah punca menyebabkan pemain terperangkap dalam SAO, Kirito mengalahkannya dan akhirnya hampir semua pemain membebaskan diri dari dunia maya.

Selepas kes SAO, seramai 300 pemain SAO termasuk Asuna masih terperangkap dalam dunia maya. Apabila Kirito pergi ke hospital untuk melawat Asuna, dia bertemu bapa Asuna, Yuuki Shouzou yang ditanya oleh rakan sekerjanya, Sugou Nobuyuki, yang kemudiannya mendedahkan mengenai rancangannya untuk berkahwin dengan Asuna, lantas membangkitkan kemarahan Kirito. Beberapa bulan kemudian, Agil memberitahu berita mengenai salah seorang pemain SAO yang masih hidup dalam dunia maya VRMMORPG dipanggil Alfheim Online (ALO), dia mengesan Asuna berada atas sebatang pokok gergasi "Yggdrasil". Dengan bantuan sepupunya, Suguha Kirigaya, dikenali sebagai Leafa, dan Yui, pari-pari kerdil (asalnya AI daripada SAO), dia mendapati bahawa pemain SAO terperangkap dalam ALO oleh Sugou dengan tujuan untuk melaksanakan uji kaji secara haram, menjual hasil untuk mendapat keuntungan dan mengambil alih syarikat keluarga Asuna. Akhirnya Kirito menyelamatkan semua pemain SAO dan menggagalkan rancangan Sugou. Sebelum meninggalkan ALO, Kayaba, yang telah memuat naik mindanya ke internet melalui versi NerveGear berkuasa tinggi yang bersifat eksperimental dan pemusnah sehingga meragut nyawanya, muncul di hadapan Kirito dan mengamanahkannya dengan "The Seed" - program pakej sumber terbuka yang direka untuk mewujudkan kembali dunia-dunia maya. Kirito akhirnya disatukan semula dengan Asuna di dunia sebenar lalu The Seed dilancarkan ke internet, menghidupkan kembali industri VRMMORPG.

Pada tahun 2025, pihak pegawai kerajaan menyiasat kejadian aneh di VR, justeru Kirito bekerja secara sambilan untuk menyiasat beberapa siri pembunuhan yang melibatkan VRMMORPG yang berlainan dipanggil Gun Gale Online (GGO), menggunakan AmuSphere (menggantikan NerveGear). Seorang pemain misteri dikenali sebagai Death Gun muncul bertujuan membunuh pemain GGO yang berprofil tinggi dalam kejohanan Bullet of Bullets (BoB). Kirito dibantu oleh pemain wanita yang bernama Asada Shino yang dikenali sebagai "Sinon"; dia mengambil bahagian dalam kejohanan BoB dan Kirito mengenal pasti kebenaran di sebalik pembunuhan, yang juga salah seorang mangsa yang terperangkap dalam SAO. Melalui usaha Kirito dan Sinon, dua suspek ditangkap, tetapi malangnya suspek ketiga Johnny Black berjaya melepaskan diri.

Kirito menjadi bahan ujian eksperimen mesin FullDive bernama Soul Translator (STL), yang mempunyai antara muka yang jauh lebih realistik dan kompleks daripada mesin sebelumnya yang telah dijadi baham ujikaji membangunkan kecerdasan buatan oleh Kementerian Pertahanan (MOD) yang dinamakan A.L.I.C.E. Kirito menguji STL dengan memasuki dunia maya yang dicipta dengan "The Seed", bernama UnderWorld (UW). Dalam UW, aliran masa berlalu seribu kali lebih cepat daripada di dunia sebenar, dan kenangan Kirito tentang apa yang berlaku di dalam adalah terbatas. Walau bagaimanapun, Black mencederakan Kirito dengan suksamethonium klorida. MOD memulihkan semula Kirito dan meletakkannya kembali melalui STL untuk memelihara fikirannya manakala percubaan dilakukan untuk menyelamatkannya.