Действие игры происходит в гигантском сверхсекретном научно-исследовательском комплексе «Чёрная Меза» (англ. Black Mesa — «Чёрная столовая гора»), который находится в недрах горы, расположенной в американском штате Нью-Мексико. Действующий персонаж игры — молодой талантливый научный сотрудник, доктор философии в области теоретической физики Гордон Фримен, работающий в Лаборатории аномальных материалов, которая находится в Чёрной Мезе.

Гордон Фримен прибывает в «Чёрную Мезу» для работы в Лаборатории аномальных материалов. Вся глава состоит из поездки Фримена на монорельсовом поезде, в течение которой игрок может составить впечатление об общем облике и масштабах исследовательского центра.

Фримен получает защитный костюм H.E.V., необходимый для работы в опасных условиях, и направляется в тестовую камеру С-33/а сектора C для участия в эксперименте. В ходе опыта изучаемый кристалл помещается под луч антимасс-спектрометра, что вызывает неконтролируемое явление, именуемое «каскадным резонансом».

Фримен оказался в числе выживших после ужасной катастрофы, исказившей до неузнаваемости облик исследовательского центра. Вследствие каскадного резонанса начался портальный шторм, представляющий собой беспорядочное открытие и закрытие порталов между Землей и миром Зен. В Чёрную Мезу начали телепортироваться инопланетные существа, ведущие себя крайне агрессивно. В этой ситуации доктор Илай Вэнс просит Гордона выбраться на поверхность и вызвать помощь.

Отбиваясь от пришельцев, Гордон Фримен пытается добраться до поверхности, пользуясь помощью выживших учёных и охранников в многочисленных офисах комплекса.

Гордон выясняет, что правительство выслало спецподразделение HECU с заданием уничтожить все следы эксперимента и всех его свидетелей. Так, HECU принимается за зачистку Чёрной Мезы от пришельцев и сотрудников исследовательского комплекса. Гордон выбирается на поверхность, но высадка десанта вынуждает его искать другой путь в недрах комплекса. По словам одного из выживших учёных, единственный путь к спасению — комплекс «Лямбда». Фримен отправляется туда.

Путь через шахту для испытаний реактивного двигателя преграждают гигантские щупальцевидные существа — тентаклы. Для достижения цели Фримену приходится восстановить подачу топлива, окислителя и энергии к двигателю и выжечь эти внеземные формы жизни испытательным запуском.

Дальнейший путь к комплексу «Лямбда» лежит через железную дорогу, но генератор питания отключен. Фримену предстоит обеспечить подачу питания к рельсам, но путь ему преграждает огромное инопланетное существо — Гаргантюа. Гордон заманивает пришельца к генератору, запускает его, и мощный электрический разряд убивает монстра.

Продвижение Фримена по железной дороге осложняется постоянными стычками монстров и военных. Один из уцелевших охранников сообщает Гордону, что команде «Лямбда» для наведения порядка в Чёрной Мезе необходим спутник на орбите. Гордон, следуя новой цели, добирается до ракетного комплекса и запускает космический аппарат.

Перед тем, как Фримен продолжит путь, ему предстоит убить опасного водного пришельца — ихтиозавра. В конце главы Гордон впервые сталкивается с таинственными Чёрными оперативниками. Учёный с боем пробивается через них, но солдатам HECU удаётся взять Фримена в плен, оглушив его, из-за чего Гордон теряет сознание. Фримен временно приходит в себя и видит, что солдаты его куда-то несут, а затем снова «отключается». Чтобы избавиться от учёного, солдаты сбрасывают его в мусорный пресс.

Гордон очнулся на дне мусоросборника без единого оружия. Учёному удаётся выбраться из пресса, по пути найдя лишь монтировку. Ему приходится пройти путём, который проходят перерабатываемые отходы.

Фримен пробирается через секретные лаборатории, где изучались существа из мира Зен. Спасая несколько учёных, оказавшихся заблокированными в комплексе, Гордон продолжает свой путь и выбирается на поверхность.

На поверхности дела обстоят ничуть не лучше, чем под землёй. Фримен уничтожает несколько военных машин (от вертолёта до танков), пробирается через заминированное здание, и, воспользовавшись системой наведения, вызывает несколько мощнейших авиаударов, чтобы убить ещё одного Гаргантюа и вскрыть запечатанный проход к комплексу «Лямбда».

Военные начинают эвакуацию. Покинутая ими Чёрная Меза подвергается массированной бомбардировке с воздуха. А тем временем Гордон пробивает себе путь к комплексу «Лямбда».

Оказавшись в комплексе «Лямбда», Фримен запускает ядерный реактор и восстанавливает подачу энергии, что делает возможным открытие портала прямо в Зен. Как объясняют учёные команды «Лямбда», сила какого-то могущественного существа на «другой стороне» не позволяет закрыть межпространственные порталы и избавиться от последствий каскадного резонанса. Задача Гордона заключается в том, чтобы найти и уничтожить это существо. Перед отправлением в Зен один из учёных даёт Гордону модуль, позволяющий совершать прыжки на бо́льшую дистанцию.

Фримен попадает в загадочный и опасный мир пришельцев, состоящий из парящих над бездной островов (астероидов). Отбиваясь от немногочисленных представителей местной фауны, Гордон находит телепорт, позволяющий двигаться дальше.

Фримен попадает на очередной остров, на котором обитает огромное паукообразное существо — Гонарх, являющееся маткой хедкрабов. Для ближнего боя Гонарх использует удары ногами, для дальнего боя — выплёскивает неизвестную химическую жидкость. Также он может извергать маленькие личинки хедкрабов, которые сразу же берутся атаковать Гордона. Учёный побеждает Гонарха и продолжает путь.

По мере продвижения Фримену начинают противостоять разумные существа Зена. Пробираясь по территории пришельцев, Гордон оказывается на огромном инопланетном заводе, где обнаруживает солдат-грантов, находящихся в капсулах. В конце главы Гордон находит телепорт и прыгает в него.

Фримен добирается до того самого существа, которое мешает закрыться пространственному разлому. Его зовут Нихилант. Он пытается уничтожить учёного, атакуя его чем-то напоминающим молнии или дуговые разряды и направляя на него порталы. Если Гордон попадается в порталы, то они телепортируют учёного в различные места Зена. Отбиваясь от Нихиланта, контроллеров и вортигонтов, Гордон уничтожает кристаллы, подпитывающие силу лидера пришельцев, а затем и самого Нихиланта. После этого гибель самого Фримена в обрушивающейся комнате, казалось бы, неминуема, но его спасает загадочный человек с кейсом — G-Man.
Гордон Фримен оказывается на платформе, напоминающей лифт, а перед ним стоит G-Man, который посредством мгновенной телепортации показывает плачевные кадры разбитой земной бронетехники и авиации под небом Зена — следствие каскадного резонанса и портального шторма.
В конце концов Фримен оказывается в таком же вагончике, в котором он совершал поездку по территории исследовательского центра «Чёрная Меза» во вступительной части игры. Вагончик словно несётся сквозь пространство и время. При этом загадочный человек говорит Фримену, что доволен его действиями и уже предложил кандидатуру Гордона своему начальству, и что он успешно выполнил свою работу в Чёрной Мезе. G-Man предлагает Фримену и в дальнейшем работать на него. Гордон стоит перед выбором:
Шагнув в телепорт за открывшейся дверью вагончика, Фримен может принять предложение о работе, после чего G-Man поместит учёного в стазис, где тот будет ожидать своего возвращения в продолжении Half-Life 2. Перед финальными титрами появляется текст следующего содержания: «Объект: Фримен. Статус: Нанят. Ожидает назначения».
Любой осуществлённый выбор приводит к завершению игры Half-Life. Сюжет продолжения Half-Life 2 предполагает, что Гордон принял предложение G-Man’а — таким образом, становится очевидно, что для успешного завершения игры можно только прыгнуть в портал, а игнорирование предложения считается проигрышем.
В определённых локациях учёные и охранники нужны для прохождения игры, так как они открывают ведущие вперёд по сюжету двери. Если такой персонаж будет умерщвлён, то фон экрана станет чёрным и отобразится следующее уведомление: «Объект: Фримен. Статус: оценка способностей прекращена. Посмертное заключение: объект не смог эффективно использовать человеческие ресурсы для достижения цели».

Если не войти в портал за отведённое время, безоружный Гордон телепортируется в неизвестное место Зена, оказавшись окружённым бесчисленным количеством выживших грантов. Финальный текст гласит: «Объект: Фримен. Статус: наблюдение прекращено. Посмертное заключение: объект отклонил предложение работы».