Haruyuki Arita é uma estudante com excesso de peso e intimidada que encontra consolo ao jogar jogos online. Mas sua vida toma um rumo drástico um dia, quando descobre que todas as suas pontuações mais altas foram superadas por Kuroyukihime, o popular vice-presidente do conselho estudantil. Ela então o convida para a sala dos estudantes e o apresenta ao "Brain Burst", um programa que permite aos usuários acelerar suas ondas cerebrais até o ponto em que o tempo parece parar. Brain Burst também funciona como um jogo de luta em realidade aumentada e, para obter mais pontos para acelerar, os usuários devem ganhar duelos contra outros jogadores. No entanto, se um usuário perder todos os seus pontos, também perderá o acesso ao Brain Burst para sempre. OKuroyukihime explica que ela escolheu mostrar ao programa o programa porque precisa da ajuda dele. Ela quer conhecer o criador do Brain Burst e descobrir o motivo pelo qual ele foi criado, mas é mais fácil falar do que fazer; para isso, ela deve derrotar os "Seis Reis da Cor Pura", poderosos líderes de facção dentro do jogo, e atingir o nível 10, o mais alto nível possível. Depois que a garota ajuda Haruyuki a superar os valentões que o atormentam, ele promete ajudá-la a alcançar seu objetivo, e assim começa a dupla lutar para chegar ao topo.
Accel World adapta os 4 primeiros romances da série light novel de Reki Kawahara com o mesmo título, bem como o conteúdo do 10º romance.