《刀剑神域第二季》延续前作，桐人等玩家从“刀剑神域”世界脱离后回归现实。故事进入全新篇章“幽灵子弹篇”，桐人受好友邀请进入射击类虚拟现实游戏“Gun Gale Online”，调查连续玩家死亡事件。在游戏中他结识了女主诗乃，诗乃因过去枪击事件有心理阴影，桐人帮助她克服恐惧。之后是“圣母圣咏篇”，桐人的妹妹直叶发现哥哥在“ALO”游戏中的身份，同时游戏中出现神秘少女优纪，她身患绝症，在游戏里与桐人等人结下深厚情谊，最终优纪虽离世，但给大家留下温暖回忆。最后“序列之争篇”，桐人等人又卷入新的虚拟现实事件，继续在虚拟与现实交织中展开冒险。