La diffusion de l'adaptation animée de la prèmiere saison de Sword Art Online a été produite par le studio A-1 Pictures et s'est déroulée entre le 8 juillet et le 23 décembre 2012. Elle adaptait l'arc Aincrad et l'arc Fairy Dance en 24 épisodes.

La deuxième saison, produite par le même studio a été diffusée entre le 5 juillet et le 20 décembre 2014. Elle adaptait les arc Phantom Bullet, Calibur et Mother's Rosario en 24 épisodes.

Une troisième saison a débuté et adapte l'arc Alicization en 2 parties. La première : Sword Art Online : Alicization a débuté le 7 octobre 2018 et s'est terminé le 31 mars 2019 après 24 épisodes. La déuxième partie, Sword Art Online : Alicization - War of Underworld a débuté le 12 octobre 2019 et est en cours de diffusion. Elle adaptera l'arc Alicization jusqu'à sa fin.

Entre avril et juin 2018 est diffusée Sword Art Online Alternative Gun Gale Online un spin-off mettant en scène Karen Kohiruimaki, une étudiante qui se met à jouer à Gun Gale Online.