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。
完全不相信妖怪存在的芦屋花绘，某天突然被一个毛茸茸的妖怪缠上，从此“葬送”了平凡的高中生活。
故事以史上首个自律人型AI「Vivy」为主角，是以「歌声带给众人幸福」为使命的「歌姬」。某日自称来自100年后的AI「松本（マツモト）」突然出现，并表示自己将与Vivy共同修正历史、避免100年后人类与AI发生战争，使Vivy踏上破坏AI的旅途。
