2022年，由於新世代遊戲機「NERvGear」的出現，實現在虛擬空間裡完全潛行。「NERvGear」首個真正的虛擬大型多人網上角色扮演遊戲「刀劍神域」（SAO）受到全世界的關注，「刀劍神域」正式開始營運的第一天，其中有一位名叫桐人的玩家正在享受虛擬世界的冒險。可是「刀劍神域」的設計者茅場晶彥，突然向所有玩家發出宣告，說在完成遊戲之前是不可以離開遊戲，還有如果強行離開或GAME OVER的話，就會在現實世界裡死亡。到底這是什麼一回事？

桐人拯救了受到怪物襲擊的小型公會「月夜黑貓團」，被這班在現實世界是朋友的熱情所感染，隱瞞自己身為「封弊者」的身份，加入他們成為公會的一份子。在桐人的協助下，原本弱小的「月夜黑貓團」快速地升級，更嘗試追上在最前線戰鬥的「攻略組」。可是某個晚上，公會中唯一的女孩幸突然失蹤，很快找到幸的桐人，知道原來她很害怕會在遊戲中死去……

因為分配裝備而與隊員爭吵離隊的馴獸師少女西利卡，在森林中迷路時被怪物圍困。雖然後來她被路過的桐人所救，但是她的使魔畢娜卻死去。見到因失去了同伴而非常傷心的西莉卡，桐人教她可以讓使魔復活的方法外，更無條件幫她完成這個任務。西莉卡正在躊躇為何桐人會這樣幫自己時，桐人的答案卻令人感到意外。

2024年4月，亞絲娜以「SAO」內首屈一指的「血盟騎士團」副團長的身份在最前線出現，預備指揮攻略組向第五十九層進發。同一時間，在沒有怪物可以入侵城鎮的「圈內」裡，一個名叫凱因茲的男性坃家死在眾人眼前。

因為聽到目擊證人叫聲而來到事發現場的桐人與亞絲娜，認為這不是一般決鬥而出現的PK狀況。亞絲娜因為恐防可能是有未知的PK技能，所以找桐人一起調查這宗殺人案件。

桐人與亞絲娜合作調查遊戲系統內不可能發生的圈內殺人事件，兩人更親眼目睹了有人被殺。兩位受害人的共通點，是同樣曾經是已解散公會「金蘋果」的成員。另一位成員修密特，現在成為了死去的會長葛莉賽達亡靈下一個復仇的目標。到底在電腦世界裡，幽靈這種東西是否存在呢？

在鐵匠莉茲貝特經營的武器店，來了一位不介意預算要製作一柄最強單手劍的客人。這位帶著稀有魔劍站在櫃台前的特別客人，原來就是桐人。對自己的技術充滿自信的莉茲貝特，拿出了自己製作過最強的劍讓桐人試用，當桐人嘗試其耐用度時，劍身一下子就折斷了。由於桐人輕描淡寫的一句話，卻觸怒了莉茲貝特，她更說如果可以找到稀有的金屬，就可以造出可以滿足到桐人要求的劍。兩人因此向第五十五層的冰雪地帶出發……

2024年10月，桐人完成了在最前線的第74層攻略後，回程時意外地得到了非常稀有S級食材的拉古兔肉。不過由於桐人的烹飪技能不足所以得物無所用，在別無辦法下桐人想把這物品賣給艾基爾，他在店內遇見亞絲娜。當桐人知道亞絲娜的烹飪技能已升至最高後，決定拜託她把食材烹調。為了烹調美食，桐人去到亞絲娜在第61層的家……

與亞絲娜組隊的桐人，突破了第74層迷宮後發現了BOSS的房間。原本打算收集一些攻略情報，但當發覺這裡的BOSS不是善男信女後便馬上撤退。來到安全地區休息的兩人，首先還到了克萊因與風林火山的成員，之後再遇到在SAO第一大公會的ALF（軍隊）。在柯巴茲中校要求桐人他們交出這一層的地圖資料，同一時間，桐人順便警告他們不要嘗試挑戰BOSS。可是柯巴茲並沒有聽桐人忠告…

為了讓亞絲娜可以暫時離開公會，桐人與艾恩葛朗特最強的男人──血盟騎士團團長希茲克利夫進行一場決鬥。亞絲娜知道團長的厲害，所以非常擔心桐人，可是桐人說自己是不會那麼容易就會輸。

來到決鬥當天，使用獨特技能「神聖劍」的希茲克利夫與使用「雙刀流」的桐人展開激戰，可是桐人略遜一籌輸了決鬥，更因此要加入血盟騎士團…

因為克拉帝爾所引起的事件，加深了桐人與亞絲娜兩人之間的關係，所以兩人決定「結婚」。亞絲娜暫時退出了血盟騎士團，與桐人一起在第二十二層的湖邊的小木屋定居。桐人與亞絲娜兩人在沒有戰鬥的地區裡過著平靜安穩的日子。某天，他們兩個在傳聞有幽靈出沒的森林裡，遇上了一個昏迷了的女孩。兩人把女孩帶回家裡，可是這女孩卻失去了記憶…

為了尋找由衣家人而來到「開始的城鎮」的桐人與亞絲娜，因為知道了軍隊的領袖辛卡因為內部權力鬥爭的問題而被困在地下迷宮裡，兩人決定出手協助拯救行動。桐人、亞絲娜和委託人由莉耶兒，再加上堅決要跟來的由衣，一行四人開始在地下迷宮展開冒險。四人最終來到安全區域並發現了辛卡，可是在那裡卻出現了連桐人也未見過強力怪物。心知不妙的桐人叫亞絲娜帶由衣等人馬上一起離，打算自己一個與怪物作拚死一戰……

桐人在湖畔釣魚時，遇上了年紀不小的老玩家西田先生。由於大家都喜歡釣魚志趣相投，桐人決定協助西田先生挑戰捕捉湖裡的魚王。最後擾攘一輪後，魚王終於被亞絲娜打倒。

經常在前線作戰的桐人與亞絲娜，與西田先生交往時重新體會到普通生活的實在感。當兩人反思自己作為頂級玩家，也揹負了解放大家的負責，這時候，桐人收到了一封電郵……

2024年11月。第75層BOSS骷髏死神的攻略戰超越了眾人的想像，在傳送水晶無效的空間，不斷有玩家犧牲了生命。經過了一場艱苦的戰鬥後，雖然骷髏死神終於被打倒，但是因為附出了很大的代價而令攻略組的眾人感到非常沮喪。這時候，桐人卻突然發現了一個足以改變艾恩葛朗特世界的秘密。

與希茲克利夫的決鬥之後，桐人，也就是桐谷和人終於回到了現實世界。同一時間在這個死亡遊戲裡的倖存者都可以保住了性命，但是亞絲娜與其他三百位玩家的意識仍未能回復過來，仍然維持在沉睡的狀態。

事件結束兩個月後，和人去到醫院探望結城明日奈（亞絲娜），他遇上了明日奈的父親結城彰三與部下須鄉伸之。須鄉後來向和人表示下星期就會與昏迷中的明日奈結婚，令和人大受打擊…

收到電郵後的和人來到酒吧找艾基爾，艾基爾拿出了從VRMMORPG遊戲「Alfheim Online」(ALO)內擷取到的圖像，這些相片令和人非常在意，因為相片中出了一個相信是明日奈的女性。因為「ALO」是由須鄉的公司開發，所以和人相信明日奈是被困在遊戲世界裡。和人馬上以桐人的名字在「ALO」內註冊，但不知為何新創造的角色竟然會繼承了「SAO」的角色資料……

風精靈玩家莉法正被火精靈們襲擊時，由於守護精靈的桐人突然出現而逃過一劫。與現在成為了私人妖精的由衣一起的桐人，雖然有相當的實力，但是他對這個ALO遊戲世界卻是一無所知。莉法為答謝桐人，除了告訴他上些基本知識，更邀請他飲一杯。桐人為了向莉法打聽更多有關世界樹的情報，所以與她來到風精靈的首都。

莉琺決定當桐人住ALO中央世界樹旅途的嚮導。可是，當她們打算從招帆出發前，莉法的小隊成員西格魯特出現阻止她。莉法對說出貶低桐人的說話，與打算束縛自己的西格魯特感到非常厭惡，所以他宣稱桐人是新拍檔。另一方面，被囚禁在世界樹頂的明日奈，從妖精王奧伯龍（須鄉伸之）口中知道桐人沒有死去後，她內心也作好了打算……

桐人與莉法沿著巨大的山洞 魯古魯迴廊，往世界樹的方向前進。路上莉法後來收到朋友雷根的訊息，正當莉法在想內容是警告她要小心什麼時，火精靈的追兵已經來到，沒有退路被逼應戰的桐人，叫莉法專注使用回復魔法，自己一個上前與敵人戰鬥，但是敵人似乎有備而來，以多個魔法師同時向桐人攻擊，令他陷苦戰……

為了最終攻略世界樹，風精靈與貓精靈雙方領主進行秘密會談，不過由於內奸西格魯特通敵的關係，火精靈的大軍正預備向會場發動襲擊。在危急下，趕來的桐人自稱是守衛精靈與水精靈同盟的大使，希望可以阻止火精靈的行動。面對那樣故弄玄虛的桐人，火精靈的指揮官尤金提出若果要他相信桐人是大使，就要桐人抵得住三十秒的攻擊……

桐人他們終於來到世界樹下面，愛芙崁最大的城市中央都市亞崙，可是這時遊戲內發出了定期維修要關閉伺服器的廣播，所以桐人與莉法約定明天再見後就各自登出了遊戲。另一方面，在現實世界裡，和人的妹妹直葉對因為對哥哥產生好感而一個人在煩惱著。直葉為了確認自己的真正心意，所以決定與和人一起去醫院探望明日奈。

由衣感覺到明日奈的玩家ID。桐人聽到由依說明日奈就是在世界樹的上方時，他二話不說就張開翅膀往上飛，不迥由於遊戲系統設定的關係，桐人被障礙牆阻擋了去路，連最下的樹枝也碰不到。不過在世界樹上的明日奈卻可以感應到桐人與由衣的在ALO裡，她把一張放入了所有希望的卡牌從樹上掉下。桐人接到卡牌後下定決心要拯救到明日奈，通往世界樹頂的唯一途徑進發，挑戰從未有人成功完成的終極任務。

和人知道了莉法原來就是直葉後非常詫異。之後直葉把一直埋藏在內心的感情說明後，和人明白到自己過去的冷漠對妹妹做成了很深的傷害。和人約直葉再之在中央都市亞崙見面後，自己一個人再次登入「ALO」。另一方面直葉對先前傷害了哥哥而感到後悔，雖然她登入遊戲，但是始終未能鼓起勇氣去找桐人。這時候，雷根卻突突然出現……和雷根談過後，莉法決定面找桐人，來一場在現實世界裡兩人還沒有完成的比試……

在風精靈與貓精靈的相助下，桐人終於成功完成了終極任務。桐人與由衣來到所有ALO玩家的目標──世界樹的上方，終於見到明日奈。當桐人想馬上想讓明日奈登出遊戲，但從由依口中知道若要解除把明日奈拘束著的複雜密碼，就一定要先找到擁有特定權限的系統控制台。這時候，須鄉以世界支配者精靈王奧伯龍的姿態出現，更以壓倒性的力量把桐人打倒……

與奧伯龍對決之後，桐人與亞絲娜約定要在現實世界再見後，就登出遊戲。回到現實世界的和人，馬上離家去醫院找明日奈。可是在醫院門口等待和人的卻是被憎恨與痛楚弄至不似人形的須鄉。須鄉為了報仇，手中拿著利刀襲擊和人。和人在現實世界裡第一次面對生死尤關的危機，完全沒有辦法的他被逼得用盡所有力量作出最終的反擊。