Eletään vuotta 2500. USG Ishimura -niminen alus, joka työstää eräänlaista prosessia 'Aegis VII' -nimisellä kaivosplaneetalla, lähettää hätäkutsun ja alusta lähtee korjaamaan viisihenkinen ryhmä USG Kellion -nimisellä aluksella. Heidän joukossaan matkaa insinööri Isaac Clarke. Saapuessaan Ishimuralle Kellion vaurioituu pakkolaskussa. Ryhmä lähtee etsimään apua, mutta huomaavat aluksen autioituneen oudosti. Yhtäkkiä outo olento hyökkää yläpuolelta, tappaa kaksi Kellionin miehistön jäsentä, ja Isaac ajautuu erilleen kahdesta selvinneestä ryhmän jäsenestä: Kendra Danielsista ja Zach Hammondista. Isaac saa tietää, että Ishimuran miehistön jäsenet ovat muuttuneet tunteettomiksi, pitkäkyntisiksi hirviöiksi - necromorpheiksi - jotka pyrkivät tappamaan jokaisen vastaantulijan. Hammondille selviää, että alus on lähes tuhoutunut, ja Isaacin täytyy yhtä aikaa pitää alus koossa ja yrittää paeta.
Kulkiessaan aluksella Isaac löytää kirjoituksia ja videoleikkeitä, jotka kertovat aluksen tapahtumista ennen hätäkutsun lähettämistä. Isaac saa tietää, aluksella oli jonkinlainen salaliitto liittyen kaivosoperaatioon. 'Aegis VII' oli salainen alue ja pääsy sinne oli kielletty. Ishimuralla oli myös teloitettu miehistön jäseniä laittomasti. 'Aegis VII':lta oli löytynyt kaivostyön tuloksena outo patsas. Kaivoksella työskennelleet ihmiset olivat ensimmäisiä, jotka tulivat hulluiksi, ja siksi heidät tapettiin. Ishimura lähetettiin hakemaan patsasta ja sen tultua alukseen suurin osa miehistön jäsenistä alkoi käyttäytyä oudosti ja sairastella. Patsaan mukana alukselle oli tullut tartuttaja-aines ja kaksi jo necromorphiksi muuttunutta henkilöä, jotka tappoivat miehistön ja muuttivat nämä verenhimoisiksi hirviöiksi. Miehistön jäsenistä osa teki itsemurhan, ja necromorphit tappoivat loput. Ishimuran kapteeni tuli hulluksi ja yritti viedä patsaan maahan, jotta tauti leviäisi sielläkin, ja tohtori Kyne tappoi hänet estääkseen tämän. Isaac tapaa aluksella seonneen tohtori Mercerin, joka pitää Necromorph-rotua ihmisrotua parempana ja yrittää viedä patsaan maahan muuttaakseen kaikki ihmiset necromorpheiksi. Lopulta Mercer muuttaa itsensä necromorphiksi. Isaac tapaa useasti myös tyttöystävänsä, Nicolen, joka on yksi selvinneistä miehistön jäsenistä.
Pelin aikana Hammond lähettää hätäkapselin, jonka USG Valor havaitsee ja poimii talteen. Kapselin sisällä oli Necromorph, joka tappaa Valorin miehistön, mikä taas johtaa Ishimuran ja Valorin yhteentörmäykseen. Hammond sai tietää, että Valorin miehistö oli aseistautuneita ja koulutettuja sotilaita, jotka olivat tulleet tuhoamaan Ishimuran, mutta hän ei tiedä, kuka hälytti Valorin paikalle. Hän käskee Isaacia lopettamaan korjaustyöt aluksella ja etsimään pakotien. Isaac ja Hammond lähtevät Valorille hakemaan virtaa, jolla he saisivat yhden Ishimuran sukkuloista toimimaan päästäkseen pois alukselta. Iso Brute-niminen olento kuitenkin tappaa Hammondin Valorilla. Ishimuran tiedemies, tohtori Kyne, ottaa yhteyttä Isaaciin ja kehottaa häntä viemään patsaan takaisin 'Aegis VII'-kaivosplaneetalle sekä kertoo samalla uskovansa, että jonkinlainen Hivemind-niminen jättimäinen hirviö ohjaisi Necromorpheja sieltä. Isaac ja Kyne lyöttäytyvät yhteen ja Isaac etsii ja siirtää patsaan kapseliin, jolla se on tarkoitus viedä takaisin planeetalle. Juuri kun Isaac ja Kyne ovat nousemassa kapseliin, Daniels ampuu Kynen. Paljastuu, että Daniels on osa hallituksen salaliittoa, jonka päämääränä on viedä patsas Maahan (Daniels saattoi olla syyllinen USG Valorin kutsumiseen). Daniels kertoo Isaacille, että patsas on vain kopio alkuperäisestä patsaasta, joka oli löydetty maapallolta ja viety kaivosplaneetalle. Daniels lähtee kapselilla 'Aegis VII':lle hakemaan oikeaa patsasta jättäen Isaacin yksin Ishimuralle väärän patsaan kanssa.
Isaacin tyttöystävä, Nicole, auttaa kuitenkin Isaacia kapselin takaisin saamisessa. Isaac ja Nicole lähtevät kopioitu patsas mukanaan Danielsin perään 'Aegis VII':lle, jossa Isaac vaihtaa väärän patsaan oikean patsaan kanssa. Isaac yrittää tuhota alkuperäisen patsaan, mutta Daniels estää sen ja siirtää patsaan takaisin kapseliin. Daniels näyttää Isaacille saman videon, jonka pelaaja näkee heti pelin alussa. Isaac näkee aina ennen staattiseen häiriöön katkenneen videon ensimmäistä kertaa loppuun, ja hänelle selviää, että Nicole tappaa itsensä videon lopussa. Daniels selittää, että Nicole oli ollut pelkkä patsaan aiheuttama hallusinaatio ja patsaan yritys päästä takaisin kaivosplaneetalle ohjaamalla Isaacin mieltä. Daniels yrittää paeta planeetalta kapselin avulla, mutta Hivemind tappaa hänet. Isaac onnistuu voittamaan hirviön ja pakenee planeetalta kapselilla ilman patsasta. Isaac ei kapselissa ollessaan saa Nicolea mielestään. Hän kuulee äänen ja Nicolen Necromorph-olemus hyökkää hänen kimppuunsa, jolloin peli loppuu. Isaacin kohtalo sekä se, oliko Nicole-Necromorphkin pelkkä hallusinaatio, jää epäselväksi. (Katso: Dead Space 2)
