Você joga na pele de Gordon Freeman, um cientista com Ph.D em Física Teórica pelo MIT que trabalha no laboratório Black Mesa, localizado no Novo México - EUA. Lá são conduzidas pesquisas em diversas áreas da ciência.
Gordon trabalha na área de pesquisas de materiais anômalos, e no início do jogo, é o responsável pela manipulação da amostra de um cristal desconhecido durante uma experiência. Assim que a análise começa, ocorrem várias explosões em diversas áreas do complexo Black Mesa, que matam muitos membros da equipe de funcionários e destroem vários equipamentos. Gordon é um sobrevivente. Além das explosões, portais de espaço-tempo se abrem trazendo seres de outra dimensão para os laboratórios, e esses começam também a matar todos que encontram pelo caminho.
O jogador começa sua jornada para escapar das instalações subterrâneas em colapso de Black Mesa, enfrentando alienígenas de todo o tipo. Para complicar ainda mais, o governo dos EUA manda seu exército para eliminar todas as evidências do acidente, ou seja: Gordon Freeman, outros sobreviventes, todas as testemunhas e aliens.
No decorrer da aventura, Gordon surpreende a todos com seus feitos heróicos em combate e passa a ser o alvo prioritário dos soldados.
Após vários desafios galgados, o protagonista chega a uma área do complexo Black Mesa chamada Lambda Core, onde ainda havia cientistas escondidos e equipamentos em operação. De lá, ele é teletransportado para Xen, o mundo de onde vinham os portais. Em um ambiente completamente estranho aos humanos e até às leis convencionais da física, Gordon atravessa cenários com fauna e flora fantásticos, além de uma instalação alienígena que lembra uma espécie de fábrica, até chegar a Nihilanth, o poderoso alien gigante que comanda Xen. Ao derrotá-lo, Gordon liberta os xenianos do domínio telepático de Nihilanth, que então páram de atacar a Terra.
A história acabaria nesse ponto se o misterioso homem da maleta não existisse no game. Sem um nome oficial, esse personagem é conhecido como G-man, pois esse é o nome do seu skin disponibilizado no modo multiplayer.
Por várias vezes durante a aventura, G-man pode ser visto a observar o progresso de Gordon, assistindo calmamente a combates violentos, ou conversando com cientistas em salas trancadas, ou circulando pelos corredores. Algumas vezes, ao ser visto em algum lugar pelo qual o jogador ainda não passou, ele caminha calmamente até sair de cena. Quando o jogador posteriormente chega ao local, encontra um beco sem saída, sem nenhum lugar por onde G-man possa ter saído.
