"Sword Art Online" spielt in einer nahen Zukunft, in der Virtual-Reality-Technologie so weit fortgeschritten ist, dass Spieler vollständig in virtuelle Welten eintauchen können. Die Handlung beginnt im Jahr 2022 mit dem Start des ersten vollimmersiven VRMMORPG (Virtual Reality Massively Multiplayer Online Role-Playing Game) namens "Sword Art Online". Die Spieler nutzen das NervGear, ein Gerät, das ihre Sinne direkt mit der virtuellen Welt verbindet. Der Protagonist, Kirito, ist einer von 10.000 Spielern, die sich in das Spiel einloggen. Kurz nach dem Start wird jedoch klar, dass die Spieler das Spiel nicht mehr verlassen können. Der Schöpfer des Spiels, Akihiko Kayaba, erklärt, dass der einzige Weg, das Spiel zu verlassen, darin besteht, alle 100 Stockwerke eines riesigen Turms zu erklimmen und den Endgegner zu besiegen. Wer im Spiel stirbt oder versucht, das NervGear zu entfernen, stirbt auch in der realen Welt.

Kirito, ein erfahrener Beta-Tester, schließt sich anderen Spielern an, um die Herausforderungen des Spiels zu meistern. Er trifft auf Asuna, eine starke und fähige Spielerin, mit der er eine enge Beziehung entwickelt. Gemeinsam kämpfen sie gegen mächtige Bosse, erkunden die verschiedenen Stockwerke und versuchen, das Spiel zu überwinden. Im Laufe der Geschichte werden die Charaktere mit moralischen Dilemmata, persönlichen Konflikten und den Konsequenzen ihres Handelns in der virtuellen Welt konfrontiert.

Nachdem Kirito und Asuna es schließlich schaffen, das Spiel zu beenden, setzt sich die Geschichte in anderen virtuellen Welten fort, wie "Alfheim Online" und "Gun Gale Online". In diesen Welten stehen die Charaktere vor neuen Herausforderungen, darunter die Rettung von Asuna, die in "Alfheim Online" gefangen ist, und die Teilnahme an einem tödlichen Turnier in "Gun Gale Online". Die Serie erforscht Themen wie die Grenzen zwischen Realität und Virtualität, die Auswirkungen von Technologie auf die Gesellschaft und die Bedeutung von menschlichen Beziehungen.

Die Hauptfiguren, darunter Kirito, Asuna, Klein, Agil und andere, entwickeln sich im Laufe der Serie weiter, während sie sich mit den Gefahren und Möglichkeiten der virtuellen Welten auseinandersetzen. Die Handlung verbindet Action, Drama und emotionale Momente, während sie die komplexe Beziehung zwischen Technologie und Menschlichkeit untersucht.