电视动画《刀剑神域》改编自川原砾著作、abec插画的同名轻小说，动画由伊藤智彦担任导演，A-1 Pictures负责动画制作。于2011年10月2日举办的“电击文库 秋之祭典2011”活动上发表了TV动画化的消息。于2012年7月7日—2012年12月22日在TOKYO MX、栃木电视台、群马电视台、神奈川电视台首播，全25话。特别篇《刀剑神域 Extra Edition》由伊藤智彦担任导演，于2013年12月31日播出。第2期《刀剑神域Ⅱ》由伊藤智彦担任导演，于2014年7月5日—2014年12月20日播出。全24话。剧场版《刀剑神域：序列之争》由伊藤智彦担任导演，2017年2月18日在日本上映。外传《刀剑神域外传 Gun Gale Online》由迫井政行担任导演，于2018年4月7日—2018年6月30日播出，动画由Studio 3Hz负责动画制作。全12话。动画第3期《刀剑神域 Alicization》由小野学担任导演，上半段于2018年10月6日—2019年3月30日播出。下半段《刀剑神域 Alicization War of Underworld》第1部分于2019年10月12日—2019年12月28日播出，第2部分于2020年7月11日起播出。全47话（除总集篇和特别节目以外）。剧场版《刀剑神域：进击篇·无星之夜的咏叹调》由河野亚矢子担任导演，于2021年在日本上映。