A maior parte do jogo é ambientada em uma área desértica remota do Novo México, no Centro de Pesquisa Black Mesa, um complexo fictício que apresenta muitas semelhanças tanto com o Laboratório Nacional de Los Alamos quanto com a Área 51, em algum ponto durante os anos 2000. O protagonista do jogo é o físico teórico Gordon Freeman, detentor de um Ph.D. no MIT. Freeman torna-se um dos sobreviventes de um experimento na Black Mesa que dá terrivelmente errado, quando uma inesperada "cascata de ressonâncias" — um fenômeno fictício — rasga emendas dimensionais, devastando as instalações. Alienígenas vindos de outra dimensão conhecida como Xen subsequentemente entram nas instalações através dessas emendas dimensionais (um evento conhecido como o "Incidente de Black Mesa").[12]
À medida que Freeman tenta sair das instalações em ruínas, descobre que está preso entre dois lados: os alienígenas hostis e a Unidade de Combate em Ambientes Perigosos, uma unidade de operações especiais do Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA enviada para encobrir o incidente, eliminando os organismos, além do próprio Dr. Freeman e dos outros sobreviventes da Black Mesa, a fim de silenciá-los. Por todo o jogo, uma figura misteriosa conhecida como o "G-Man" (que não é nomeado na história) regularmente aparece e aparenta monitorar o progresso de Freeman. Por fim, Freeman utiliza a cooperação dos cientistas e oficiais de segurança sobreviventes para chegar ao misterioso "Complexo Lambda" da Black Mesa (simbolizado pelo caractere grego "?"), onde uma equipe de sobreviventes teletransporta-o ao mundo alienígena Xen para que mate Nihilanth, a gigantesca entidade mantendo a fissura dimensional do lado de Xen aberta
