Durante o século 23, a população da Terra se viu sofrendo crises de recursos e energia, fazendo com que o governo mundial EarthGov iniciasse pesquisas sobre soluções. O primeiro foi resolvido com naves espaciais "planet-cracker", criadas para esmagar e colher outros planetas em busca de recursos, e o segundo com uma investigação de um monólito alienígena preto descoberto na cratera Chicxulub, que emite um campo eletromagnético sem fonte. Apelidado de "The Marker", o monólito começa a causar psicoses violentas nas pessoas próximas a ele, levando o pesquisador Michael Altman a tentar vazar sua existência; assassinando Altman tarde demais, EarthGov inadvertidamente o transforma em um mártir, levando à formação da Igreja de Unitologia, um culto que usa o marcador como um ídolo religioso. Durante os eventos do primeiro jogo, ocorrido em 2508, o engenheiro da CEC Isaac Clarke era membro do USG Kellion, um navio que respondeu a um pedido de socorro do destruidor de planetas USG Ishimura; O próprio Isaac juntou-se como o membro da tripulação que enviou o sinal de socorro era sua namorada, Nicole Brennan. Ao colidir com o navio devido a um mau funcionamento, o Ishimura foi invadido por monstros hostis (apelidados de "necromorfos"), criados a partir de cadáveres reanimados e mutantes da tripulação. Isaac logo descobre que o Ishimura descobriu um Marcador Vermelho artificial em Aegis VII, seu distúrbio causando insanidade homicida e a propagação da infestação de necromorfos. Tentando devolver o Marcador Vermelho a Aegis VII, Isaac é traído pela tripulação da Kellion Kendra Daniels, que pretende roubar o marcador. Com a ajuda de Nicole, Isaac devolveu o marcador ao planeta, subjugando o necromorfo Hive-Mind, mas disparando um pulso eletromagnético que desabilitou indiretamente as amarras da gravidade que mantinham o planeta unido. Isacc então descobre com Daniels que Nicole há muito tempo se suicidou; As interações de Isaac com Nicole foram alucinações causadas pelo Marcador Vermelho. Daniels, removendo o marcador para tentar roubá-lo, desperta a Hive-Mind no processo, que a esmaga até a morte. Isaac mata o Hive-Mind e escapa por pouco do colapso planetário em uma nave, apenas para ser atacado por uma alucinação de Nicole. Três anos após o evento Aegis VII, Isaac Clarke acorda no Sprawl, uma estação espacial civil em órbita ao redor dos remanescentes de Titã. Isaac acorda em meio a um surto de necromorfos, sem memória dos últimos anos e sofrendo graves alucinações. Escapando por pouco enquanto as pessoas são assassinadas e cometem suicídio, Isaac é contatado por Daina Le Guin, que explica que o encontro de Isaac com um Marcador codificou suas informações em seu cérebro; O diretor da Sprawl, Hans Tiedemann, gradualmente extraiu os dados para fazer engenharia reversa de um novo marcador, drogando Isaac para apagar sua memória e protegê-lo de insanidade e suicídio. Isaac abre caminho pela cidade para chegar a Daina, que promete resgate e cura para o agravamento da insanidade; Isaac se vê intimidado pelas violentas alucinações de Nicole Brennan, sua falecida namorada que insiste em se tornar "inteira" com ele. Isaac chega a Daina, que tem restringido Isaac e revela que ela é uma Unitologist; Daina explica que planeja criar mais marcadores para divulgar "Convergence", um evento predito em Unitology. No entanto, um caça EarthGov atinge sua nave espacial, matando Daina e seus associados e permitindo que Isaac escape. Isaac é forçado a continuar lutando contra suas violentas alucinações de Nicole. Isaac é contatado pelo colega Nolan Stross, que revela que o marcador está localizado no setor governamental e afirma que eles podem destruí-lo; deixado sem escolha, Isaac relutantemente se une a Stross. Isaac também encontra Ellie Langford, uma piloto da CEC que perdeu sua tripulação durante o surto, e eles se unem quando ela concorda em não matar Stross. À medida que progridem, Tidemann desliga o suporte de vida do Sprawl, forçando Isaac a reativá-lo com um feixe solar; Tidemann então assume o controle da matriz para cortar a linha de transporte para o setor governamental. Cortado, Isaac é forçado a desviar pelo Ishimura, que está ancorado no Sprawl para descontaminação e reparo após os eventos do primeiro jogo. A demência de Stross logo piora a ponto de atacar Ellie, removendo o olho com uma chave de fenda; perseguindo Stross, Isaac é logo forçado a matá-lo em legítima defesa. Com suas alucinações atingindo seu limite, Isaac admite sua culpa por não ter salvado Nicole, pacificando Nicole. Chegando ao setor governamental, Isaac e Ellie reaproveitam uma enorme broca de mineração para abrir uma entrada. Enganando Ellie a embarcar em um navio, Isaac o remota o força a partir para que ela possa escapar. Isaac então libera os Necromorphs para as forças de Tiedemann como uma distração, fazendo com que o Setor Governamental seja invadido; os necromorfos logo alcançam o marcador, desencadeando a convergência. Com a ajuda de Nicole, Isaac guia uma agulha no olho, permitindo que ele lembre os dados do marcador e entenda como destruí-lo. Chegando ao marcador, Isaac mata Tiedemann, apenas para ser atacado por Nicole, que invade sua mente; "Nicole" explica que ela é simplesmente o meio do Marcador para manipulá-lo, e tornar-se "inteiro" é para o Marcador absorver o corpo e a mente de seu criador. Enfurecido e traído, Isaac destrói Nicole e os códigos dos Marcadores em sua mente. Quando Titan Station começa a entrar em colapso, Ellie retorna com a nave para resgatar Isaac, que ambos escapam com segurança no momento em que a estação explode. Em uma cena pós-créditos, uma transmissão de áudio é ouvida entre duas pessoas: um homem desconhecido e seu superior superior, conhecido apenas como "o supervisor". O subordinado retransmite que a Estação Titan, que ele chama de "Local do Marcador 12", e seu Marcador foram destruídos. O superintendente responde que os outros locais terão que recolher as peças.