Действие начинается с того же момента, на котором закончился Half-Life 2. В конце предыдущей игры главный герой Гордон Фримен помешал председателю Уоллесу Брину телепортироваться в столицу Альянса и уничтожил реактор тёмной энергии вместе с одним из персональных телепортов Цитадели. На этом месте время внезапно остановилось, звуки исчезли; стоявшая рядом Аликс Вэнс застыла в нескольких метрах от эпицентра взрыва. Из ниоткуда перед игроком возник таинственный G-Man и, похвалив его за проделанную работу, вновь погрузил Гордона в стазис.

Главы
Глава 1: Чрезвычайная тревога (англ. Undue alarm)
Гордон постепенно пробуждается из стазиса, видя падающий в пустоту монитор, на котором председатель Брин произносит фразу, услышанную игроком в Half-Life 2: «Скажите мне, мистер Фримен, если сможете. Вы так много разрушили. Создали вы хоть что-нибудь? Можете назвать хоть одну вещь? Я так и думал…». Игрок снова появляется на вершине Цитадели и видит Аликс, застывшую в нескольких метрах от взрыва реактора. Неожиданно вокруг Аликс возникает множество вортигонтов, предстающих в странном фиолетовом свечении. Вортигонты медитируют, делая ритмичные движения руками в сторону Аликс; двое из них материализуются рядом с ней, ухватив её за руки. На секунду Аликс приходит в себя, видит вортигонтов и снова теряет сознание. Вортигонты телепортируют её прочь.
Далее сам Фримен отдаляется от ранее наблюдаемой картины; слышится мощный взрыв. Вспышка белого света — и перед игроком появляется G-Man. Он останавливается и только собирается что-то сказать, но внезапно слышит вортигонтов и удивлённо озирается. Те же вортигонты в фиолетовом свечении отделяют Фримена от G-Man’а и уносят его, также как и Аликс. Перед тем, как Гордон исчезает, G-Man яростно поправляет свой галстук и произносит: «Это мы ещё посмотрим…».
Робот Аликс по кличке Пёс вытаскивает Гордона из-под завала, и взволнованная Аликс обнимает его. Они находятся у самого подножья Цитадели. Пёс вручает игроку гравипушку, а Аликс рассказывает о своём удивительном спасении и голосах вортигонтов. Тут Аликс через близлежащий узел связи Альянса вызывает её отец, лидер повстанцев Илай Вэнс, который вместе с Айзеком Кляйнером находятся далеко за городом. Илай в отчаянии: Цитадель должна вот-вот взорваться и накрыть взрывом весь Сити 17. Но доктор Кляйнер находит выход, очень рискованный, но единственный: Аликс и Гордону нужно вернуться в Цитадель и попытаться стабилизировать её ядро. Это должно удержать реакцию и дать Гордону, Аликс и повстанцам время для спасения. Пёс придумывает, каким способом герои могут попасть в Цитадель: он сажает их в старый микроавтобус и кидает его в проём в стене Цитадели. План срабатывает, но когда микроавтобус приземляется на площадку, пол под ним проваливается, и он падает в нижние уровни Цитадели.
Во время своего путешествия к ядру герои заходят в странную камеру, отличающиеся от других помещений Цитадели. В терминале этой камеры Аликс находит запись разговора доктора Брина и Советника Альянса, который можно было мельком услышать в Half-Life 2. В той записи Советник (способом телепатии) говорит Брину, что тот может стать неким «носителем», чтобы выжить после перемещения в мир Альянса. Во время просмотра этой записи на всех мониторах неожиданно появляется Советник и начинает наблюдать за Аликс и Гордоном. После этого персонажи видят, как по шахте, поперёк которой построена комната, поднимается сам Советник, разместившийся в эвакуационной воздушной шлюпке. Перед тем, как транспорт с Советником взлетает и эвакуируется из Цитадели, происходит что-то, что в комментариях к игре разработчики назвали «психической атакой». Перед глазами игрока внезапно начинают пульсировать розоватые всполохи, время долями секунды движется то быстро, то медленно. На Аликс это явление производит очень шокирующее впечатление — девушка с дрожью в голосе уговаривает игрока как можно быстрее покинуть это место.
Во время путешествия к ядру Гордон, как и в прошлой игре, вновь сталкивается с конфискующим полем Альянса, которое снова заряжает его гравипушку, увеличив мощность и дав ей способность работать с органикой. С помощью модифицированной гравипушки Гордон и Аликс преодолевают множество препятствий, создаваемых агонизирующей Цитаделью.

Глава 2: Прямое вмешательство (англ. Direct intervention)
Герои находят комнату управления ядром, и здесь Аликс узнаёт, что недавно силы Альянса в Цитадели по неизвестной причине сами прекратили процесс стабилизации и намеренно позволили ядру перейти в критическое состояние. Поскольку у Аликс нет защитного костюма, Гордону приходится идти в одиночку попытаться стабилизировать реакцию, подключив к ядру три сдерживающих устройства. Когда он возвращается, Аликс говорит, что узнала, почему земные силы Альянса пытались уничтожить Цитадель. Оказывается, её взрыв даст достаточное количество энергии, с помощью которой командование Альянса сможет транслировать в свой мир некое чрезвычайно важное сообщение. Кроме того, Аликс находит перехваченное видеопослание от Джудит Моссман. Джудит вместе с повстанцами находится на арктической базе, где занимается поисками некоего «проекта». Во время записи сообщения на группу нападают войска Альянса, Джудит убегает прочь и трансляция прерывается. Аликс делает копию этих двух сообщений, чтобы потом передать их отцу. Они с Гордоном спускаются на станцию подземной железнодорожной ветки и садятся на отбывающий поезд Альянса, загруженный капсулами со сталкерами. Однако, поезд, проехав несколько километров, терпит крушение прямо под городом, в туннелях подземных гаражей.

Глава 3: Обездоленные (англ. Lowlife)
Теперь героям предстоит выбраться из города на другом поезде, вместе с остальными жителями. Но сперва им нужно найти путь на поверхность, пробираясь по заброшенным малоосвещённым подземным тоннелям и автостоянкам, наполненным всеми видами хедкрабов, зомби и барнаклами. Здесь же выясняется, что из-за уничтожения реактора тёмной энергии Цитадели защитное поле всего Сити 17 было отключено, и в город прорвались муравьиные львы.

Глава 4: Побег из города (англ. Urban flight)
Выбравшись на поверхность, Аликс и Гордон обнаруживают полный хаос; бесконечные сражения между войсками Альянса и повстанцами Сопротивления, превратившие Сити 17 в руины, постепенно утихают — обе стороны торопливо эвакуируют свои силы. В это время по городу, посредством хакерского вмешательства в сеть Альянса, транслируется речь Айзека Кляйнера от лица лидеров Сопротивления. Гордон и Аликс, поучаствовав в нескольких боях, встречают старого друга Барни Калхуна. Барни говорит, что Сопротивление, захватив часть городской железнодорожной сети, готовит поезда, чтобы эвакуировать жителей из Сити 17 до того, как Цитадель взлетит на воздух и накроет взрывом весь город. Неожиданно укрытие группы Барни, где проходил разговор, замечают комбайновские сканеры-разведчики. Аликс говорит, что они с Гордоном отвлекут внимание войск Альянса, тем самым дав возможность повстанцам добраться до железнодорожной станции. Договорившись встретиться там же, Барни вручает Гордону завалявшуюся у него монтировку. Аликс с Гордоном добираются до станции, пройдя по городской больнице, сражаясь с зомби, солдатами Альянса и штурмовиком.

Глава 5: Выход 17 (англ. Exit 17)
И вот герои снова встречают Барни, который даёт им под начало несколько отставших групп повстанцев, которых нужно отвести к поездам. Это осложняется тем, что командование Альянса отправило несколько отрядов на перехват. Аликс занимает пулемётный пост у конечного пункта, а Гордон, ведя очередную группу, встречает все больше и больше сил Альянса. Но, в конце концов, он с Барни завершает свою миссию. Аликс вновь задумывает отвлечь преследователей, сказав Барни, чтобы он с повстанцами ехал на первом поезде, тогда как она и Гордон отправятся на втором. Но едва Гордон успел открыть Аликс дорогу ко второму поезду, как на линию врывается страйдер. Гордон, перемещаясь по периметру и, прячась в различных укрытиях от выстрелов страйдера, находит снаряды для ракетомёта и уничтожает треножника.
Затем Гордон и Аликс становятся в конец поезда, который отъезжает по запрограммированному Аликс с компьютера маршруту. В этот момент в Цитадели, наконец, происходит взрыв ядра. Из Цитадели начинают вылетать множество эвакуационных шлюпок Советников Альянса, спасающихся от взрыва. Некоторые из них, пролетая мимо поезда, вновь применяют психическую атаку. От Цитадели начинает распространяться взрывная волна разрушительной силы, аннигилирующая саму Цитадель и город. Взрыв настигает поезд уже за пределами стёртого с лица земли города. В последний момент Аликс подавленно шепчет «О боже… Гордон…» и игра заканчивается.

Дополнительно
Из-за вмешательства вортигонтов в начальной сцене игры G-Man потерял контроль над Фрименом — это можно судить по тому, что кроме начальной сцены G-Man больше не появляется в игре и не наблюдает за игроком, как в Half-Life и Half-Life 2. То же касается и вортигонтов. Однако теперь за игроком наблюдает Советник Альянса, появляясь на мониторах в нескольких точках игры. Советник также возник на мониторе, когда Аликс пыталась забраться в базу данных Цитадели в той комнате, где советники подготавливались к эвакуации. Это означает, что Альянс, наконец, всерьёз обратил на Фримена внимание. В одном из интервью Гейб Ньюэлл так цитирует мысли лидеров Альянса: «Мы думали, что у нас всё под контролем, а этот человек причинил нам столько неприятностей. Надо бы уделить ему больше внимания».
С ослаблением власти Альянса повстанцы взяли под контроль телевизионную систему Сити 17. На протяжении всей игры уличные экраны и телевизоры транслируют сообщение доктора Кляйнера, информирующего силы Сопротивления о положении дел. Из этого выступления можно почерпнуть важные сюжетные детали:
Из-за уничтожения единственного канала связи земного контингента войск комбайнов со своей галактикой (реактор тёмной энергии, на котором работал телепорт Альянса) их силы были временно дезорганизованы, что облегчило деятельность Сопротивления. Однако, по словам Кляйнера, вскоре они найдут способ восстановить эту связь; когда это случится — всего лишь вопрос времени.
Уничтожение реактора также отключило подавляющее поле, которое доныне блокировало репродуктивную способность проживающих поблизости от Цитадели людей, поэтому «для всех настало время плодиться и размножаться», чтобы не дать сгинуть человеческой расе.
Сопротивление втайне уже разработало несколько высокотехнологичных проектов, которые должны помочь в борьбе с Альянсом (вероятно, к таким относятся спутник и уничтожитель страйдеров, впервые представленный Гордону в Episode Two).