Действие игры происходит в недрах горы, расположенной в американском штате Нью-Мексико. Именно там по сюжету находится федеральный исследовательский центр гигантских размеров, ставший местом проведения сверхсекретных исследований. Действующий персонаж игры — молодой талантливый научный сотрудник Гордон Фримен, работающий в лаборатории аномальных материалов. Обладая средним уровнем допуска, учёный не подозревает о том, какие опасности таит в себе предстоящая работа. Однажды утром Гордона направляют в тестовую камеру для проведения стандартного анализа кристалла. Последствия эксперимента, однако, оказываются катастрофическими.

Лаборатория «Лямбда» — часть «Чёрной Мезы» — проводила исследования в области телепортации. Они нашли способ открыть портал в пограничный мир, где обнаружили не только новые формы жизни, но и весьма странные кристаллы, представляющие научный интерес. Учёные посылали в Зен исследовательские отряды за этими кристаллами (позже в Зене игрок обнаруживает трупы членов отрядов, около которых лежит боевой арсенал), которые с боями отбивали их у коренных обитателей. Именно поэтому сотрудники «Чёрной Мезы», которые по штату должны носить защитные костюмы H.E.V., проходят тренировки по использованию оружия. Однажды в руки исследователей попал самый чистый и нестабильный кусок кристалла. Кристалл был передан в Лабораторию аномальных материалов, где работал Фримен, для дальнейших исследований. Но в процессе анализа вышел из строя один из суперкомпьютеров, что привело к неправильной обработке кристалла и спровоцировало его нестабильность. Но вышестоящее руководство решило не прерывать эксперимент. Позже, можно услышать, как один из учёных, стоящих рядом с этим суперкомпьютером говорил другому: «Почему они не послушали?! Мы же пытались предупредить их…». Кристалл, как часть чужого мира, стал «мостом» между двумя мирами.

В процессе проведения эксперимента, земное пространство и пространство параллельного мира начали перекрещиваться между собой, что демонстрируется игроку тем, что Фримена «швыряет» то в пограничный мир, то обратно на Землю. Сразу после катастрофы через пробитый пространственный барьер в исследовательский центр попадают существа другой цивилизации из параллельного измерения, называемого Зен. Начинается паника. Пришельцы из параллельного мира ведут себя крайне враждебно по отношению к учёным из Чёрной Мезы, почти весь персонал истреблен. Резонанс кристалла спровоцировал сильный локальный толчок, который вызвал разрушения некоторых конструкций центра и вывел из строя технику и электронику лаборатории. Вышедший из-под контроля эксперимент пытаются остановить военные. Для локализации и устранения угрозы в Чёрную Мезу направляются специальные военные подразделения, которые параллельно зачищают территорию комплекса и от пришельцев, и от выживших свидетелей. Гордон, оказавшись облачённым в защитный костюм, пытается спастись и выбраться из исследовательского комплекса