Những sự kiện trong game xảy ra ở khu nghiên cứu Black Mesa sâu trong hoang mạc thuộc bang New Mexico - một khu phức hợp giả tưởng có nhiều điểm giống với Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Area 51 (Mỹ). Nhân vật chính là Gordon Freeman, một tiến sĩ vật lý sống sót sau một thí nghiệm thất bại tạo nên các làn sóng cộng hưởng với nhau làm thủng không gian, gần như phá hủy cả khu nghiên cứu, mở đường cho các sinh vật từ hành tinh Xen - một thế giới khác, xâm nhập vào Black Mesa.

Trong quá trình Freeman tìm đường thoát khỏi khu liên hợp đổ nát và giúp đỡ những người bị thương, anh sớm khám phá ra rằng mình đang bị truy lùng bởi hai thế lực: sinh vật ngoài hành tinh và lính của biệt đội HECU (Hazardous Environment Combat Unit) - một đội đặc nhiệm của chính phủ phái đến với nhiệm vụ tiêu diệt các sinh vật ngoài hành tinh, đồng thời diệt luôn mọi nhân chứng nhằm che giấu sự việc. Khi Gordon lên được mặt đất, nơi đây đã trở thành chiến trường giữa lực lượng HECU và các sinh vật ngoài hành tinh. Trước khi các đợt không kích của quân đội bắt đầu, Gordon trú ẩn tại khu phức hợp Lambda, nơi đầu tiên sử dụng công nghệ dịch chuyển tức thời và được biết có một sinh vật đang giữ cổng không gian cho phép các đơn vị quái vật Xen xâm nhập Black Mesa. Gordon tới hành tinh Xen qua cổng dịch chuyển và tiêu diệt "Nihilanth" - trùm cuối game, kết thúc cuộc xâm lăng của các sinh vật Xen.

Khi chết, Nihilanth gây ra một vụ nổ khiến Freeman bất tỉnh, sau đó anh được cứu bởi G-Man. Người này xuất hiện ít nhất mỗi chương một lần. Ông ta có vẻ như đang theo dõi Gordon và luôn biến mất mỗi khi Gordon tới được vị trí ông ta vừa đứng. Ông ta cho Gordon hai lựa chọn: trở thành nhân viên của ông ta hoặc từ chối và "hối tiếc". Game có hai cái kết dựa trên các lựa chọn này của người chơi.

Cốt truyện của game được viết bởi nhà văn Marc Laidlaw, tác giả của một số tác phẩm văn học kinh dị - khoa học viễn tưởng như The 37th Mandala, Dad's Nuke, Neon Lotus... Ngoài ra, game còn chịu ảnh hưởng từ các game FPS nổi tiếng của id Software như Doom, Quake.