El juego inicia con una secuencia a modo de introducción en la que se muestran los hechos que acontecieron en el primer juego, "Dead Space", exponiendo los motivos por los que el protagonista está en ese lugar y en ese instante en el tiempo. La historia se sitúa tres años después de Dead Space, con el protagonista viajando a la deriva por el espacio tras escapar del infierno de Aegis VII, siendo finalmente rescatado e internado en «El Eje», una enorme ciudad situada sobre la superficie de Titán (una de las lunas de Saturno). En ese lugar y apartado del resto de la colonia existe una zona conocida como «Sector Gubernamental» donde se ha estado desarrollando en secreto un oscuro proyecto que pretende aprovechar la nueva tecnología alienígena descubierta en Aegis VII para convertirla en una terrible arma. Sin saberlo, Isaac Clarke formará parte de ese proyecto al contener en su mente las claves para construir una nueva Efigie. Sin embargo, algo ha ocurrido y se ha desatado el caos en las instalaciones. Tras ser despertado bruscamente en un hospital por el atemorizado ingeniero «Frannco Delille» (de la precuela Dead Space: Ignition) tomaremos el control de nuestro protagonista quien maniatado por una camisa de fuerza, confuso y desorientado por graves lapsus de memoria, iniciará a la desesperada una huida en medio del nuevo infierno que se ha generado ante él. Desde ese momento Isaac se ve una vez más envuelto en un enfrentamiento directo con los necromorfos, sin embargo, esta vez estos seres infernales no serán su única amenaza ya que también tendrá que luchar contra fuerzas militares que lo persiguen por razones aún desconocidas para él. Debido a los graves trastornos a raíz del drama vivido en Dead Space, la mente de Isaac debe hacer frente a los fantasmas del pasado que le perseguirán en forma de visiones sobre Nicole y los terribles episodios ocurridos en la USG Ishimura. Conforme la historia avance, Isaac irá encajando las piezas del rompecabezas y descubrirá la terrible realidad que ocultan esas instalaciones así como los motivos por los cuales está ahí. Si en un principio nuestro objetivo es sencillamente escapar, no tardaremos en cambiar nuestras prioridades y en marcarnos un objetivo único, destruir el proyecto que se esconde en ese lugar. A pesar de que desde un principio todo parece estar en nuestra contra, Isaac se cruza con otra superviviente, Ellie Langford, quien pese a su hostilidad inicial nos proporciona una ayuda que resulta providencial. Sin embargo, Ellie no será nuestra única compañía humana a lo largo de la historia. En nuestro camino nos encontraremos con otros supervivientes que parecen compartir nuestros mismos objetivos.