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（SwordArtOnline）》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。

藤沼悟（满岛真之介配音）拥有着能够回到过去的特异功能，母亲佐知子（高山南配音）被害，曾经信赖的朋友白鸟润（水岛大宙配音）即将作为儿童连续杀人案的真凶被处以死刑，在这个节骨眼上，悟忽然回到了1988年，回到了当时就读的小学。彼时，在杀人案件中死去的同班同学雏月加代（悠木碧配音）和山田广美（鬼头明里配音）尚未被害，悟决心利用自己的能力保护加代和广美的安全，洗清白鸟润身上的冤屈，并且找到真正的幕后黑手。在悟的努力下，个性阴沉孤僻的加代终于向他敞开了心胸，两人结下了深厚的友谊。很快，案件发生的那一天来临了，茫茫的黑夜过去，当光明来临时，悟能否再度看见加代天真的笑脸呢？