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。
从人类的思想和感情诞生的「e-脉冲」，被作为AI辅助装置「辅助蛋」的能量源被运用。 在社会获得显著发展的背后，恐怖的怪物出现了。 吞食e-脉冲进化的生命体「数码兽」。
有一天，小行星熊玛利亚星在宇宙的某处爆发，成就一群坠落地球的流星，使地球各处的熊发生异变。熊大举进食人类，人类再报以还击，结果造成没有战果和充满仇恨的恶性循环，直至两边不约而同筑起断绝之墙，期望以后互不侵犯……一天早上，呼啸山庄学园的学生——椿辉红羽和泉乃纯花，在学园的百合花坛里一同看见百合之花。二人于是成就“既为朋友，亦为恋人”的关系，并将花坛视为最重要的地方。就在此时，熊警报突然响起，揭示对方再度入侵人类世界，准备陷入混战。揭示这些熊的真实身份和目的之时，新谜题的出现带来新一波的怒涛，揭开背后华丽的每一幕……
