El anime consta de dos arcos argumentales: Sword Art Online y Alfheim Online. Durante el primero, que abarca los primeros 14 episodios, Kirito conocerá a varios personajes con los que colaborará para superar ciertos retos, vencer jefes de nivel o conseguir ciertos objetos como una espada hecha de un metal muy valioso. En esos 14 episodios pasan 2 años en la historia, y el hecho más relevante en ese tiempo para Kirito es conocer a Asuna, una chica con la que colabora durante sus primeros pasos en SAO y con la que más tarde se volverá a encontrar, convertida en una jugadora bastante poderosa. Así, unos cuantos episodios se centran en la relación Kirito-Asuna, dejando bastante de lado la aventura en sí. Los primeros episodios nos muestran hechos bastante aislados entre sí, pero más tarde los acontecimientos van siendo más encadenados. Hasta que Kirito descubre que el creador del juego es se esconde en un jugador al que él conocía, en el piso 75 (de los 100 que tenían que completar en el juego). Tras vencerle, Kirito y la mayoría de jugadores despiertan en el mundo real...

Y aquí empieza el siguiente arco, más corto: Alfheim Online. Asuna es una de los cientos de jugadores que no han despertado, y Kirito recibe la información de que está atrapada en ese nuevo juego en lo alto de un enorme árbol. Así, el protagonista decide ponerse de nuevo su casco de realidad virtual y volver a lanzarse a la aventura. Allí conoce a Leafa, quien en realidad resulta ser su hermana, hecho del que ambos se darán cuenta casi al final del viaje. Esta parte de la historia va más al grano, obviamente, al ser más corta. Al final Kirito consigue rescatar a Asuna para que despierte en el mundo real. Y la historia continuará en Sword Art Online II.