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。
故事中的世界是以中世纪欧洲为基本架构，除了人类以外还有龙、精灵以及哥布林的存在，是典型的托尔金系统中的奇幻世界。神与魔不断地纷争，神为了保卫世界而战；魔为了争取长杖毁灭世界而战。赤眼魔王和赤龙神为了各自的目的而战。赤龙神将赤眼魔王击败，并将它分为七部份。为了防范魔族的行动，他化为四个分身固守着四方。 一千年前，魔王的一部份觉醒了。它率领着魔族们向赤龙神的一个分身——水龙王挑战。魔王五个手下中的四个设下了结界，由它和魔龙王一起直接跟水龙王决斗。后来，魔王的计划宣告失败，魔龙王被封印。魔族的行动渐趋寂静…… 一千年后，自称“天才美少女魔导士”莉娜·因巴斯诞生了。故事也从她在森林里遭遇盗贼，得到流浪佣兵高里·卡布列夫的相助开始。从此他自称为莉娜的监护人成为共同旅行的伙伴。而两人的命运又和魔王有着不可分割的关联.....
主人公小星，只是一名普通的中学生，但他一直在为实现梦想而不懈努力。偶然间，他发现学校的物理老师凤鸣，竟然就是二十年前的天才机械师。经过一番努力，小星与他的伙伴获得了凤鸣老师的帮助，踏上了为了梦想竞赛的旅程。
