La película tiene lugar tras los hechos acontecidos en la segunda temporada animada. Kirito, Asuna y sus amigos empiezan a jugar a un nuevo juego conocido como OS (Ordinal Scale) que, a diferencia de los juegos anteriores, utiliza un sistema de realidad aumentada llamado Augma. En este juego, los jugadores se clasifican de acuerdo a sus rangos por lo que los jugadores con rangos inferiores tienen grandes desventajas. Sin embargo, Kirito y sus amigos descubren que algo va mal cuando se encuentran con monstruos de Aincrad.

A finales de la era Edo, un demonio conocido como el Rey Impuro mató a miles de personas. Tras vencer al demonio, los Caballeros de la Verdadera Cruz mantuvieron su ojo izquierdo sellado a salvo en la Academia, pero ahora ha sido robado. Al escuchar que el ladrón ha tomado por rehén a un niño, Yukio y Rin parten a ayudar. La investigación y la persecución llevará a Rin y a sus amigos hasta Kyoto, donde se verán involucrados en una oscura trama.