《刀剑神域Ⅱ》将延续一期动画的剧情，桐人受邀进入一款射击网络游戏的世界调查一起神秘谋杀事件。桐人的目的是查出号称“死枪”的神秘凶手。而在GGO的游戏世界里，桐人遇见了一位拿着狙击枪的少女：诗乃。于是两人就在GGO的游戏世界开始了新的冒险。还有桐人一行人在飞行系VR游戏“ALO（Alfheim Online）”攻略传说级武器圣剑的“圣剑篇”以及亚丝娜在ALO中与“绝剑”相遇并一起参与一个有着特殊意义的楼层BOSS攻略战的“圣母圣咏篇”三个部分

刀剑神域第二季在「SAO」的事件一年之后，桐人接受来自总务省的委托要他调查在游戏「GunGaleOnline」中所发生名为「死枪」的事件。被谜样角色以漆黑之枪的所击中的玩家，在现实世界裡也会随之「死亡」，虽然桐人一度拒绝配合，但对于「假想世界」能影响到「现实世界」抱持着疑问的他还是登入了「GGO」。桐人不仅在寻找「死枪」的过程中陷入麻烦且对于游戏中的游玩方式也感到不适应，这时对他伸出援手的是一名使用「黑卡蒂Ⅱ」的狙击枪少女诗乃。借着少女的力量，桐人也一步步的进逼到了事件的核心!

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