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。
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