Spillet starter på et tidspunkt i mellem 2000 og 2009, hvor forskeren Gordon Freeman og hans kollegaer på det enorme forskningsinstitut Black Mesa Research Facility foretager et analyserings-eksperiment der slår fejl, og river hul i dimensionerne. Efter eksperimentet bliver Black Mesa overmandet af væsener der teleporterer ind fra dimensionen Xen. Samtidig bliver den hemmelige militær styrke, Hazardous Environment Combat Unit (HECU), sendt af sted for at dræbe væsnerne og de overlevende sikkerhedsvagter og forskere, heriblandt Gordon Freeman, da historien om de invaderende væsner ikke må blive offentligt kendt. Efterhånden som Gordon prøver at finde en vej ud af Black Mesa, støder han flere gange på den mystiske G-Man, der tilsyndeladende nøjes med at overvåge ham fra en afstand. Samtidig lykkes det de overlevende forskere og sikkerhedsvagter at organisere sig, og de beder Gordon om at hjælpe dem med at affyre en raket der måske kan lukke hullet til Xen. Dette lykkes for Gordon, men han får senere at vide at et mægtigt væsen fra Xen holder hullet åbent, og han bør finde det hemmelige Lambda kompleks, da forskerne der kan hjælpe ham yderligere. Imens Gordon kæmper sig forbi væsnerne og HECU-styrkerne, er sidstnævnte ved at tabe kampen, og de begynder at trække sig ud. Til sidst lykkes det Gordon, med hjælp fra et hold af overlevende forskere fra Lambda komplekset, at blive teleporteret til Xen hvor han dræber væsenernes leder Nihilianth. Efter kampen mister Gordon bevidstheden, og da han vågner igen står han overfor G-Man. G-Man fortæller Gordon, at hans arbejdsgivere har en stor interesse i ham, og Gordon bliver nu tilbudt et job. Hvis spilleren vælger at afslå jobbet, bliver Gordon efterladt på Xen til en sikker død i hænderne på Xen-væsnerne. Vælger spilleren i stedet vælger at tage imod jobbet, slutter spillet med Gordon flydende i et enormt tomrum, hvor G-Man forsikrer Gordon om at de vil mødes igen.