Vào ngày 28 tháng 9 năm 2019, ngay sau khi tập 26 được phát sóng, một anime movie chiếu rạp có tựa đề Thanh gươm diệt quỷ: Chuyến tàu vô tận đã được công bố, với các thành viên và dàn diễn viên sẽ diễn lại vai của họ.[4] Vào ngày 10 tháng 4 năm 2020, có thông báo rằng bộ phim sẽ được phát hành rạp tại Nhật Bản vào ngày 16 tháng 10 năm 2020.[5] Tác phẩm sẽ được phân phối tại Nhật Bản bởi Aniplex và Toho.[6] Bài hát chủ đề của bộ phim có tựa đề "Homura" (炎, Ngọn lửa) được thể hiện bởi ca sĩ LiSA.[7][8]

Vào ngày 18 tháng 9 năm 2020, đã có thông báo rằng khán giả Nhật Bản sẽ nhận được một bản sao của "Rengoku Volume 0", một manga đặc biệt của tác giả bộ truyện Gotoge Koyoharu kể về nhiệm vụ đầu tiên của nhân vật Rengoku Kyōjurō. Nó sẽ được in giới hạn 4,5 triệu bản.[9]

Aniplex of America đã cấp phép cho Thanh gươm diệt quỷ: Chuyến tàu vô tận và sẽ phát hành bộ phim tại các rạp ở Bắc Mỹ với sự hợp tác của Funimation Films vào năm 2021.[10] Phim được phát hành chính thức tại Việt Nam (không tính các suất Fan Screening và suất chiếu sớm) vào ngày 11 tháng 12 năm 2020 bởi ODEX.