Durante o século 26,os recursos da terra se esgotam completamente. A única maneira de sobrevivência é uma campanha de exploração de recursos em novos planetas. A empresa C.E.C. (Concordance Extraction Corporation) tornou-se a maior e mais influente companhia mineradora entre as colônias da Terra. A C.E.C. criou a titânica espaçonave de mineração USG Ishimura, em homenagem ao astrofísico Hideki Ishimura, criador do Shockpoint Drive, dispositivo que permite viajar pela galáxia tão rápido quanto a velocidade da luz. Apesar de a frota de mineração ter sido ampliada nas décadas seguintes, a USG Ishimura ainda era a nave de escavação e extração mais bem-sucedida de minerais em 34 planetas.

Durante a exploração do planeta Aegis VII, foi encontrado um estranho artefato na superfície. O capitão encarregado de transportar o artefato para a Terra era Benjamin Matthieus. Logo que a operação tem início, todos os contatos com a colônia em Aegis VII se perdem. Quando o contato é restabelecido, a tripulação descobre que a colônia inteira foi massacrada. Uma equipe de mineração tentou contatar a USG Ishimura, mas todos foram mortos durante a transmissão, antes de conseguirem revelar o que selou o destino da colônia. Diante dos fatos, a espaçonave tenta sair da órbita de Aegis VII e, também misteriosamente, fica incomunicável.

A alguns anos-luz de distância está a USG Kellion, nave de transporte tripulada pelos pilotos Chen e Johnston, o engenheiro espacial Isaac Clarke, a especialista em computadores Kendra Daniels e o comandante e chefe em segurança Zach Hammond. O governo da Terra mobilizou a nave para investigar o que aconteceu com a USG Ishimura, que permanece inoperante, possivelmente avariada, próximo da órbita de Aegis VII. Isaac Clarke se voluntariou para esta missão devido à sua especialização em reparos de espaçonaves de grande porte. Ao menos essa era a versão oficial, já que, na verdade, ele tentava entender a vídeo-mensagem que recebeu de Nicole Breman, médica da tripulação da USG Ishimura e sua ex-namorada, enviada antes de a nave perder comunicação.

Ao aproximar-se da USG Ishimura, a USG Kellion não consegue desviar de todos os meteoros e destroços vagando pela orbita, ficando danificado e fazendo um pouso forçado na própria Ishimura. Ao desembarcar, a primeira inspeção pela USG Ishimura revela um lugar deserto, sem qualquer sinal da tripulação. Apenas alguns sistemas autômatos estão funcionando, mas muitos setores da espaçonave foram gravemente danificados pela chuva de meteoros. Subitamente, na saguão principal uma criatura sanguinária, um tipo de mutação, aparece de uma tubulação e ataca e mata Chen e Johnston. Isaac foge por um corredor, se separando dos outros, enquanto Zach e Kendra se deslocam por outro caminho, rumo a outro setor da nave. A fuga revela indícios de uma carnificina, manchas de sangue e destruição são vistos por todos os lados. Não há sinais de que alguém sobreviveu. A prioridade é reativar o sistema principal e Isaac conta com a ajuda de Kendra e Zach, que ainda conseguem manter o comunicador de vídeo ativado. Logo, os sobreviventes descobrem que a USG Ishimura está infestada de aberrações e que os níveis de oxigênio estão caindo. Isaac é orientado a consertar os sistemas, mas primeiro tenta reparar a USG Kellion, mas é atacado antes mesmo de começar. O hangar explode, eliminando uma das únicas possibilidades de fuga.

Zack promete ajudar Isaac a procurar por Nicole, mas por enquanto, sobreviver é prioridade. Durante a incursão pela monstruosa espaçonave, diários e arquivos de áudio encontrados pelo caminho e começam a dar forma ao quebra-cabeça misterioso referente ao que aconteceu no local: encoberto por uma operação ilegal de mineração, o capitão da nave, unitologista fervoroso, foi ordenado a recuperar um artefato religioso chamado "The Marker" em Aegis VII, que pertence a "Igreja da Unitologia", uma religião muito presente a bordo na nave e influente na Terra. A unitologia é a religião baseada na ideologia científica difundida por Michael Altman, cientista envolvido em projetos secretos e responsável por tentar decifrar o Marker, uma rocha adornada com símbolos nunca vistos antes. Unitologistas fervorosos alegam que Altman foi morto em uma conspiração do governo terrestre para abafar a existência do artefato e de vida alienígena. O Marker foi descoberto acidentalmente por colonizadores e apenas o capitão e alguns poucos membros da tripulação sabiam que ele estava escondido neste planeta.

Quando o Marker foi trazido para a colonia, houve uma intensa histeria entre os habitantes da colonia, seguidas de violência e morte. Houve alucinações entre os mineradores, fazendo com que matassem uns aos outros. Ao final da primeira onda de violência, a histeria parecia ter sido controlada e a operação de mineração de Aegis VII recomeçou uma semana depois. Foi quando o gerador de força da colônia foi desligado e um organismo alienígena se manifestou no local, infectando os corpos dos mortos e os transformando em Necromorphs, aberrações alienígenas com capacidade de matar e contaminar corpos, o que originou a infestação mutante. Para evitar que a “praga” se espalhasse, o capitão Matthieus cortou todo o tráfego e a comunicação entre a USG Ishimura e a colônia de Aegis VII. Foi quando o doutor Terrence Kyne, chefe do departamento de ciência, percebeu que o capitão havia perdido a racionalidade e impôs a lei da navegação e da responsabilidade, alegando que o capitão havia ignorado o rígido protocolo de suas obrigações. Na verdade, Matthieus já não se comportava como capitão, mas como um fanático religioso esbravejando sobre heresia. O capitão foi morto pelo doutor Kyne, acidentalmente, durante a aplicação de um sedativo. A contaminação da USG Ishimura ocorreu quando um sobrevivente de Aegis VII fugiu antes do isolamento e aportou com uma nave de fuga na Ishimura, pois sem saber, ele trouxe um Necromorph, que estava escondido na sua nave. Este usou os tubos de ventilação para se locomover. Foi questão de horas para que, praticamente, toda a tripulação fosse morta, instantes antes da queda da USG Kellion.

Mesmo diante de tantas informações, Isaac ainda não conseguia entender algumas coisas e Kendra confessa que suspeita que Zach possa estar mentindo quanto a seu conhecimento de maiores detalhes sobre o Marker. Pouco depois, Kendra desaparece sem deixar vestígios. Para surpresa do engenheiro espacial, Nicole está viva e entra em contato com ele, ainda que por rádio. Ela parece agir estranhamente, mas tenta ajudar Isaac, que consegue reparar os danos críticos do sistema da nave. Graças a isso, um rastreador de resgate foi enviado, atraindo a atenção da nave militar USM Valor, que resgatou um pod de fuga enviado por Zach. Curiosamente, a USM Valor parecia saber com o que estava lidando e carregava um pesado arsenal, mas não foi o suficiente para evitar sua destruição, causada por um necromorph que veio oculto no pod de fuga. Apesar da tragédia, Zach descobre e prova a Isaac que a USG Ishimura deveria ser destruída e a USM Valor estaria encarregada da missão, levando-o a suspeitar que alguém fora de Aegis VII sabia da ameaça alienígena.

Sem muitas opções, Isaac e Zach reativam o núcleo de força da USM Valor para iniciar os reparos de uma nave de fuga. Porém, no processo, um necromorph mata Zach. Mais tarde, um contato inesperado do doutor Kyne, que também sobreviveu a infestação, pede urgentemente para que o Marker seja devolvido ao planeta Aegis VII. Ele revela o que a mineração no planeta causou: abriu uma passagem no solo para a monstruosa criatura chamada Hive Mind, que espalhou a contaminação, reanimando corpos aleatoriamente.

O doutor Kyne acredita que o Marker funciona como um inibidor, capaz de manter a criatura adormecida e fazer com que todos os necromorphs entrem em hibernação. O doutor auxilia Isaac a depositar o artefato em uma nave exploratória, mas é assassinado por Kendra, que revela sua verdadeira identidade: agente secreta do governo com instruções explícitas de tomar o Marker e conduzi-lo a seus superiores. O artefato, na verdade, é uma cópia de engenharia reversa de outro Marker encontrado na Terra e foi plantado em Aegis VII pelo governo há centenas de anos para descobrir os seus efeitos. Os cientistas descobriram que a camada que cobre o Marker é, de fato, um código de DNA para criar a infecção necromorph. A infecção fugiu do controle e começou a matar os envolvidos, causando alucinações e transformando-os em mutações. Antes que tudo fosse perdido, os cientistas editaram o Marker para transformá-lo em um inibidor da infecçãooriginal. Com a morte dos envolvidos e a infecção contida, o governo definiu Aegis VII como zona proibida, declarando-o um planeta morto. Porém, anos depois, por ordem da C.E.C. em conjunto com o próprio governo, a USG Ishimura foi enviada para reaver o artefato e apagar qualquer evidência da história passada. Quando tudo saiu de controle, o plano de emergência foi acionado: usar a USM Valor para destruir tudo, gerando a condição atual.

Kendra leva a nave exploratória, oriunda da USG Ishimura, com o artefato e abandona Isaac em Aegis. É quando Nicole reaparece na câmara de controle da doca e o ajuda a trazer a nave de volta, remotamente, obrigando Kendra a escapar de mãos vazias em um pod de fuga. Isaac toma posse do Marker e consegue uma nave, que usa para desembarcar em Aegis VII, perto da região da escavação. Com muito trabalho, o artefato é depositado no local de onde fora retirado e, aos poucos, a criatura Hive Mind volta a adormecer. Mas o perigo ainda não passou completamente: o sistema de gravidade artificial do planeta foi comprometido, gerando uma fissura superficial por quilômetros. Aegis VII entra em colapso e um gigantesco pedaço do planeta, outrora extraído pela USG Ishimura, está caindo como um meteoro na direção do planeta. Isaac se apressa em voltar para a nave, mas Kendra reaparece e o aprisiona em uma câmara de contenção. Além de pegar o Marker, ela exibe o vídeo completo da mensagem de Nicole: em desespero, a jovem informa que é crucial levar o o artefato de volta a Aegis VII. Em suas últimas palavras, ela declara seu amor a Isaac, terminando por aplicar uma injeção letal em si mesma. O suicídio parecia a única saída para não sofrer como todos os outros tripulantes da USG Ishimura.

Kendra coloca o artefato na nave. O monstro termina por matá-la na doca de embarque, deixando Isaac diante de um grande problema. Ele enfrenta o monstro e consegue neutralizá-lo tempo o suficiente para embarcar na nave e deixar Aegis VII, escapando por um triz da colisão. O pesadelo parece ter chagado ao fim. Depois de tanta adrenalina, finalmente Isaac consegue expressar sua tristeza por saber que sua amada morreu antes mesmo do caos se espalhar por toda USG Ishimura. Ele tenta ver a mensagem mais uma vez, até que se atenta a um pequeno detalhe... Nicole havia feito aquele vídeo dentro da câmara de transmissão desta mesma nave que Issac está escapando, sendo que Nicole ajuda Issack em muitos momentos do jogo, mas como poderia se ela morreu antes de de Issac chegar e desembarcar na USG Ishumura? Fica então subentendido que o proprio Issac em algum ponto da história começou a sofrer com as alucinações causadas pelo Marker.