由于父亲欠下了一屁股债人间蒸发，无家可归的女儿桃园奈奈生（三森铃子 配音）只得流浪街头。在这途中，奈奈生帮助了一位被恶狗追逐的男子，男子告诉奈奈生自己名叫御影（石田彰 配音），而在得知了奈奈生的遭遇后，他意外的提出将自己的住处让给奈奈生。一间荒芜的神社——这便是御影所说 的住处，奈奈生自觉上当，却也没有别的地方好去。更令她吃惊的是，御影竟然是神社的土地神，而如今，土地神的头衔，自然也随着住处转嫁到了奈奈生的头上。 莫名其妙的成为了土地神，而身边又出现了称她为“主人”的神使巴卫（立花慎之介 配音），奈奈生还未搞清楚状况，各路个性可爱又调皮的神灵就接二连三的降临到了她的身边。
“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。
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。
