Из вступительного ролика мы узнаём, что в 2006 году на Чернобыльской АЭС происходит второй взрыв неизвестной природы. Этот взрыв изменяет зону отчуждения, делая её не только радиоактивной, но и аномальной. Посланные в зону войска не принесли результата и были уничтожены. Правительство решает огородить периметром и военными кордонами опасную площадь зоны. Не смотря на это отважные смельчаки, которых называют сталкерами, не боятся ходить вглубь зоны ради поиска ценных аномальных образований — артефактов. Многие из них заканчивают свою жизнь трагически среди опасных аномалий и беспощадных мутантов.

События сюжета игры начинаются в мае 2012 года, когда один из грузовиков попадает в аварию из-за грозы. В кузове машины лежат трупы сталкеров. Один из них оказывается живым и чудом попадает в сталкерскую деревню неподалёку. Выжившего сталкера зовут Меченый, он ничего не помнит и его КПК хранит лишь одну запись: «Убить Стрелка».

В деревне местный торговец Сидорович говорит Меченому, что тот должен отработать своё спасение, выполнив несколько простых заданий. Таким образом, главный герой проходит подготовительное обучение в игре.

После выполнения первых заданий Сидорович предлагает помощь Меченому в поисках Стрелка, взамен на решение проблемы с проникновением в центр зоны. Дело в том, что ближе к центру находятся залежи ценных артефактов, но путь туда преграждает «Выжигатель мозгов», его нужно отключить.

Меченый вынужден отправиться в дальнее путешествие. Сначала его путь идёт к сталкеру Лису, затем к Серому, а Серый даёт информацию о сталкере по кличке Крот. Крот даёт наводку Меченому о расположении тайника с ценной информации — тайник Стрелка, который находится в подземных туннелях Агропрома.

Далее по сюжету игры Меченый крадёт документы на военной базе. Сидорович по радио сообщает, что документам будут рады на сталкерской базе Росток, в частности ими заинтересован некий Бармен. Бармен в баре «100 рентген» говорит, что найденные документы ведут в секретную лабораторию Х18. Получив ключи от лаборатории, наш герой пробирается в подземелье лаборатории и находит там секретные документы. Бармен сообщает, что недостающая часть документов находится в другой лаборатории Х16, но туда не попасть из-за мощного пси-излучения.

По пути Меченый замечает группу сталкеров, отбивающихся от наёмников, а затем видит упавший вертолёт учёных. И сталкеры и экологи нуждаются в нашей поддержке. Помогая выжить профессору Круглову, наш протагонист выходит на Янтарь. Группа учёных на Янтаре помогает Меченому получить защитный пси-шлем в обмен на услуги в их исследованиях. В итоге Меченый пробирается в подземелье на Янтаре, где отключает генератор вредного пси-излучения, который зомбирует и убивает всё живое вокруг. В тех же подземельях лежит труп Призрака с важными документами. Придя к Бармену и рассказав ему о случившемся, становится ясно, что «Выжигатель мозгов» также можно отключить.

Далее Меченый находит сталкера по имени Проводник, который направляет его к Доктору. Доктор лично знает Стрелка и сообщает ужасную новость: Меченый и есть сам Стрелок! Также Доктор сообщает, что в центре зоны так называемый «Исполнитель желаний» — это ловушка, которая убивает нашедших его сталкеров. Путь в секретный бункер на ЧАЭС можно найти, если отыскать декодирующее устройство, лежащее в тайнике в Припяти.

Далее сюжет забрасывает нас на охрану барьера на армейских складах. Мы сражаемся с монолитовцами, пробираемся к радару и отключаем «Выжигатель мозгов». Затем следуем в Припять, в одном из номеров гостиницы находим декодер. Наш путь лежит на ЧАЭС.

На финальной локации у самой атомной станции военные штурмуют отряды монолита, используя вертолёты и БТРы. Меченый с трудом пробирается к четвертому энергоблоку до начала выброса. Внутри саркофага герой слышит призыв «Исполнителя желаний».

Если подойти к «Монолиту» и загадать желание — Меченый погибает и игра заканчивается ложной концовкой. Необходимо забраться на лестницу и открыть тайную дверь в бункер декодером, тогда мы сможем узнать о тайной организации «О-Сознание». Есть две истинные концовки — присоединиться к «О-Сознанию» или уничтожить «О-Сознание». Эта организация учёных контролирует зону и проводит свои страшные эксперименты, связанные с изучением ноосферы. Один из неудачных экспериментов «О-Сознания» и создал зону в её современном виде. В случае уничтожения генераторов «О-Сознания» игра даёт нам ещё несколько минут крепких сражений с монолитовцами, и в конце — счастливый финал, показанный в заключительном ролике.

И ещё раз о сюжете игры «Сталкер — Тень Чернобыля», только на этот раз на фоне аудио и видеоряда: