Dej sa odohráva začiatkom 21. storočia. Na začiatku prichádza dvadsaťsedemročný Gordon Freeman, doktor teoretickej fyziky, absolvent MIT, do nového zamestnania – výskumného komplexu spoločnosti Black Mesa v púšti v Novom Mexiku. Táto spoločnosť sa zaoberá širokým spektrom aplikovaného výskumu v oblasti energetiky, robotiky, genetiky a pod., avšak jej najdôležitejšou činnosťou je vývoj obranných systémov pre Ministerstvo obrany Spojených štátov.

Freeman dohliada na experiment, ktorého dôsledkom je masívny výbuch a čiastočné zničenie komplexu. Následkom pokusu sa otvorí brána do inej dimenzie, Xen-u, odkiaľ začnú prúdiť hordy nepriateľských votrelcov a začnú podnikať inváziu Zeme.

Do objektu dorazí jednotka Námornej pechoty Spojených štátov, ktorí však podľa tajného rozkazu spolu s votrelcami likvidujú všetko živé, výskumníkov a personál spoločnosti nevynímajúc. Gordon sa dozvie, že odľahlá časť komplexu, Lambda Komplex je takmer nedotknutá. Dostane sa tam podzemným vlakom a zistí, že nepriatelia dorazili už aj tam.

Pomocou posledných žijúcich vedcov sa dostane do samotného Xen-u, aby tu našiel tajomnú bytosť – Nihilanth. Jej smrťou sa brána na Zem zatvorí, Freeman však ostane uväznený v druhej dimenzii. Na konci hry sa objaví tajomný muž v obleku a kravate, G-Man. Ponúkne Gordonovi dve možnosti: buď bude pracovať pre jeho „zamestnávateľov“ alebo ho nechá na mieste, kde nemá šancu na prežitie. Pokiaľ sa hráč rozhodne pre prvú možnosť, vstúpi do portálu a hra sa skončí. Dej následne pokračuje v Half-Life 2. Pokiaľ však hráč nevstúpi do portálu a tým dá najavo, že odmieta ponuku, bude teleportovaný medzi veľké množstvo votrelcov bez akejkoľvek zbrane a hra sa skončí, implikujúc, že Freeman stret neprežil.