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Half-Life relate les aventures de Gordon Freeman, chercheur au Laboratoire des matériaux anormaux du Centre de recherche de Black Mesa, un gigantesque complexe scientifique top secret installé dans une base militaire désaffectée totalement enterrée sous la surface. Alors qu'il participait à une expérience sur un mystérieux échantillon de cristal, Freeman ouvre inconsciemment une brèche interdimensionnelle vers un monde parallèle, Xen, peuplé de créatures extraterrestres. Des aliens d'espèces et de races diverses font irruption un peu partout dans le centre et attaquent sauvagement son personnel. La salle de test est partiellement détruite par la résonance en chaîne, mais Freeman, équipé d'une combinaison de protection en milieu hostile (HEV), parvient à en sortir indemne après avoir été pris dans une tempête de portails. Après s’être remis d’un court évanouissement, il prend conscience de la catastrophe…
Le centre de Black Mesa est sans dessus dessous. Des cadavres humains jonchent les sols des laboratoires et des créatures particulièrement voraces pourchassent les survivants. Gordon, appuyé par d'occasionnels collègues et agents de sécurité du centre, les affronte sans autre but que celui de survivre dans l'espoir de pouvoir regagner la surface pour chercher de l'aide. Rompu au maniement des armes et ayant suivi avec succès des exercices de survie en milieu hostile au parcours d'obstacles de Black Mesa, Freeman sait exploiter avec brio un vaste arsenal et se maintenir en vie grâce à sa combinaison.
Au cours de ses péripéties, Gordon va découvrir que le gouvernement des États-Unis tente d'étouffer l'affaire en envoyant sur place un commando de l'Unité de combat en environnement hostile. De nombreux soldats très bien équipés déferlent à l'intérieur du centre dans le but de contenir l'invasion extraterrestre, mais aussi de réduire au silence tout le personnel de Black Mesa, afin qu'il ne témoigne jamais de ce qu'il a vécu. De nombreux chercheurs seront massacrés sans ménagement. Ne pouvant plus attendre de secours de la part de l'extérieur, Freeman, sur les conseils de ses collègues survivants, se fixe un nouvel objectif : tenter d'atteindre le complexe Lambda de l'autre côté du centre où il pourra trouver le moyen de se rendre sur Xen afin de mettre fin à l'invasion. Au fur et à mesure de sa progression, il devra faire face à des situations de plus en plus difficiles à gérer. Gordon pourra régulièrement apercevoir, de loin, un homme en costume cravate bleu tenant une mallette à la main. Le rôle de ce mystérieux personnage ne sera révélé qu'à la toute fin du jeu.