Príbeh zobrazuje alternatívny vývoj na Zemi po otvorení portálu na Xen, "hranicu medzi dimenziami". Zem obsadili "Combine", multidimenzionálne impérium (sami seba nazývajú Univerzálna únia), ktorých prilákal portál na Zem a ľudia sú nútení žiť v mestách ako City 17, potom, ako je Zem zaplavená množstvom agresívnych foriem života zo Xenu. Tu na nich dohliadajú jednotky Combine, ľudia upravení mimozemskou technológiou nedrobovoľne alebo bez nej dobrovoľne, motivovaní istými privilégiami. Na stanicu prichádza Gordon Freeman, doktor v oblasti teoretickej fyziky. Za pomoci svojho priateľa sa dostane na základňu rebelov, ale kvôli nehode pri teleportovaní sa zase dostane mimo bezpečného úkrytu. Po dlhej a namáhavej ceste v ktorej bude musieť prekonať kanály,dedinu zamorenú zombíkmi, piesočné pasce, City17, staré väzenie, Citadelu.A tiež plno nástrah v podobe obrovských mimozemských chrobákov, headcrabov, barnacle, aj mimozemskej vojenskej techniky sa dostane do centra Combine - Citadely. V boji sa stretne s bývalým kolegom a súčasným "vládcom" sveta, ktorý je však iba bábkou v ruke tajomných bytostí, riadiacich celé imérium, doktorom Wallaceom Breenom. Hra končí v momente výbuchu Citadely. Čas sa zastaví, objaví sa tajomný "G-man", ktorý Gordona zachráni. Príbeh nie je ukončený a necháva veľa otázok nezodpovedaných.

Príbeh pokračuje výpravou Alyx a Gordona do Antarktídy, kde by sa podľa koordinátov Dr. Judith Mossmanovej mala nachádzať výskumná loď Borealis. Gordon a Alyx zisťujú, že na lodi je výkonné teleportačné zariadenie schopné obaliť loď do masívneho poľa a teleportovať ju kdekoľvek vo vesmíre. V čase invázie jednotiek Combine na Zem sa rozhodli vedci Aperture Science loď ochrániť pred votrelcami a loď teleportovali čo najďalej od Combine - na Antarktídu. Teleportovanie lode aj so zariadením na palube vytvorilo rezonančnú slučku a loď fyzicky vibruje medzi pôvodnou polohou v Michigane a Antarktídou. Alyx, Gordon a Judith Mossmanová sa v jednej z týchto slučiek dostávajú na loď. Doktorka Mossmanová chce teleport dostať do rúk odporu a v hádke ju zastrelí Alyx, ktorá chce naplniť prianie otca - zničiť Combine. Gordon na lodi pripraví explózie a namieri ju do centra invázie rasy Combine. V tom prichádza G-Man, otvorí pre Alyx portál a obaja doňho vstúpia. Gordona Freemana tesne pred výbuchom zachránia Vortigaunti, hráč sleduje masívny záblesk vo vesmíre.