L'adaptation en série télévisée d'animation a été annoncée au Dengeki Bunko Autumn Festival 2011. Celle-ci est produit par le studio A-1 Pictures, réalisé par Tomohiko Ito avec des musiques de Yuki Kajiura. Elle a été diffusée sur Tokyo MX, tvk, TVS, TVA, RKB, HBC et MBS entre le 7 juillet et le 22 décembre 2012. Dans les pays francophones, l'anime est diffusé en streaming et en téléchargement légal et payant par Wakanim et édité en DVD et Blu-ray par IDP Home Video depuis juillet 2013. Dans les pays francophones, cette saison est diffusée en version française depuis le 1^er septembre 2014 sur J-One. L'anime est aussi disponible sur la plateforme de VOD Netflix en version originale sous-titrée.

Un épisode spécial nommé Sword Art Online Extra Edition a été diffusé le 31 décembre 2013 au Japon^,. Cet épisode résume la première saison et comporte plusieurs scènes inédites. Une seconde saison, Sword Art Online II, a été annoncée à cette occasion. La diffusion a commencé le 5 juillet 2014. Cette saison couvre les arcs Phantom Bullet, Calibur et Mother's Rosario. Dans les pays francophones, la saison est diffusée en simulcast sur Wakanim et édité en DVD et Blu-ray en 2015 par @Anime.

Un film d'animation est annoncé en octobre 2015. Intitulé Sword Art Online The Movie: Ordinal Scale (劇場版 ソードアート・オンライン -オーディナル・スケール-, Gekijō-ban Sword Art Online -Ordinal Scale-), le film est prévu pour 2017 au Japon.

L'auteur Reki Kawahara a déclaré que l'anime était différent de sa série de romans, notamment dans le développement plus poussés des environnements et de certains personnages mineurs comme Kibaou et Argo, et que ça lui avait donné envie d'écrire des histoires dérivées les concernant.