Câu chuyện bắt đầu vào năm 2077 tại Sanctuary Hills, nằm gần Concord, Massachusetts. Nhân vật người chơi ở nhà với vợ/chồng của mình (Nate hoặc Nora tùy thuộc vào giới tính của người chơi), cùng hai cậu con trai Shaun và Codsworth. Một đại diện của Vault-Tec cho phép cả gia đình bước vào Vault 111, hầm trú ẩn của người dân địa phương. Một lát sau, TV phát bản tin cảnh báo về một cuộc tấn công hạt nhân sắp tới. Khi phát nổ, gia đình vội vàng di tản đến Vault, nơi họ bị lừa nằm trong ống trữ đông và sống đông lạnh. Sau một thời gian không xác định, họ bị đánh thức bởi hai kẻ lạ mặt, kẻ đã giết vợ/chồng của người chơi và bắt cóc Shaun. Người chơi được đưa trở lại vào giấc ngủ đông lạnh nhưng tỉnh dậy một lần nữa khi hệ thống hỗ trợ sự sống gặp trục trặc. Người chơi, hiện được gọi là "Sole Survivor" (Kẻ sống sót duy nhất) của Vault 111, thề sẽ trả thù cho cái chết của người bạn đời và tìm bằng được Shaun.

Người sống sót duy nhất trở về nhà để tìm kiếm Sanctuary Hills trong đống đổ nát. Họ tái hợp với Codsworth, kẻ tiết lộ rằng 210 năm đã trôi qua kể từ sau chiến tranh. Codsworth đề nghị Người sống sót đến gặp Concord để được giúp đỡ. Người sống sót tìm và kết bạn với Dogmeat, và hỗ trợ phe Minutemen di tản đến Sanctuary Hills. Người sống sót duy nhất liền đi đến Diamond City, một khu định cư kiên cố dựa trên tàn tích của Công viên Fenway, là nơi gặp được Piper. Ở đó, họ tìm hiểu về một tổ chức bí mật được gọi là Institute đã gây kinh hoàng cho Khối thịnh vượng chung bằng cách bắt cóc người và thay thế họ bằng "Synth", dạng người nhân tạo khó mà phân biệt được với người thật.

Với sự giúp đỡ của Nick Valentine, Người sống sót duy nhất phát hiện ra danh tính kẻ giết người bạn đời của mình: Conrad Kellogg (Keythe Farley). Sau khi biết được từ Kellogg rằng Shaun đang bị giam giữ trong Institute, Người sống sót duy nhất giết chết anh ta và lấy một bộ cấy từ tính từ não để truy cập vào ký ức của anh ta. Trong thời gian này, Brotherhood of Steel đến Khối Thịnh vượng chung bằng Prydwen, một loại khinh khí cầu. Người sống sót duy nhất nắm được tin tức từ Brian Virgil (Matthew Waterson), một cựu khoa học gia của Institute, rằng dịch chuyển tức thời là cách duy nhất để đặt chân vào Institute. Sau khi Người sống sót lấy ra một con chip và giải mã nó với sự trợ giúp của Railroad, Virgil cung cấp bản thiết kế cho một thiết bị dịch chuyển tức thời, mà Người sống sót duy nhất xây dựng nên bằng cách liên kết với Brotherhood, Minutemen hoặc Railroad.

Người sống sót duy nhất thành công bước vào Institute và phát hiện ra rằng Shaun chính là giám đốc của Institute. Shaun, giờ là một ông già tự xưng là Cha (Tony Amendola), tiết lộ rằng ông đã bị Kellogg bắt cóc để trở thành một mẫu vật cho các thí nghiệm tổng hợp do DNA thuần khiết trước chiến tranh của mình, và Người sống sót duy nhất vẫn bị giam cầm thêm sáu mươi năm nữa trước khi được đánh thức lại. Ông bèn mời Người sống sót duy nhất tham gia Institute. Nếu được chấp nhận, Shaun tiết lộ rằng ông ta sắp chết vì ung thư và mong muốn Người sống sót trở thành người kế vị. Sau khi bắt đầu một cuộc thanh trừng ở Khối Thịnh vượng chung, quét sạch Brotherhood và Railroad, Người sống sót nắm quyền kiểm soát Institute sau cái chết của Shaun. Mặt khác, Người sống sót duy nhất nghĩ ra một kế hoạch với phe mình để chiến đấu chống lại Institute. Đứng về phía Brotherhood hoặc Railroad sẽ buộc Người sống sót duy nhất phải tiêu diệt phe khác. Người sống sót duy nhất kích nổ lò phản ứng hạt nhân, phá hủy Institute. Sau chiến công này, nếu Kẻ sống sót đứng về phía Minutemen, cuối cùng họ phải quét sạch mọi phe thù địch còn lại. Nếu không, họ sẽ vẫn trung lập.