На момент 2033 года на ВДНХ случаются нападения тех самых Чёрных, сводящих людей с ума и, по словам свидетелей, убивающих всех, кого удавалось. Со временем нападения происходят всё чаще и чаще. Люди ненавидят чёрных, и Артём, несмотря на воспоминание о контакте с мутантом в детском возрасте, тоже считает их врагами из-за рассказов очевидцев нападений. Однажды на станцию наведывается солдат Ордена по прозвищу Охотник (Хантер), интересующийся ситуацией на ней. Он разговаривает с Артёмом и убеждается, что парень, в отличие от большинства взрослых мужчин, сохраняет трезвость ума, не повреждённого Чёрными. Хантер собирается идти в одиночку на заброшенный Ботанический Сад, откуда в метро проникают Чёрные, и даёт Артёму поручение: если до следующего дня не вернётся из рейда, отправиться в Полис и передать послание некому Мельнику.
Ночью Артём видит во сне Хантера, который просит выполнить поручение. Утром Артём присоединяется к отряду караванщиков, направляющихся на станцию Рижская, чтобы провести линию связи с ВДНХ. В туннеле между Алексеевской и Рижской странный голос, исходящий из труб, у всех, кроме Артёма, вызывает помутнение рассудка. Парню удаётся спасти всех из опасного туннеля и добраться до станции.
На Рижской Артём знакомится с подозрительным типом по кличке Бурбон, который обещает Артёму вознаграждение и помощь в пересечении дозоров Рижской по направлению к Полису, если тот проведёт его через опасный туннель к Сухаревской. Артём соглашается. Вместе с напарником он успешно доходит до Проспекта и входит в туннель. По пути через опасный туннель Бурбон неожиданно падает навзничь, спокойно произнеся: "Я умер. Меня больше нет". Артём намеревается дотащить тело Бурбона до Сухаревской, но его останавливает загадочный человек, появившийся из темноты, —Хан, который уверяет парня, что Бурбон действительно мёртв. Вместе с Ханом они добираются до Сухаревской, где знакомятся ближе. Артём сообщает попутчику, что хочет добраться до Полиса. Они возвращаются к телу Бурбона и узнают, что у того не было при себе награды, которую он обещал Артёму. Хан рассказывает парню о Метро. Собрав людей, Артём с Ханом выдвигаются в сторону Китай-Города. Но между этими двумя станциями располагается проклятая Тургеневская, близ которой при загадочных обстоятельствах пропадают люди, путешествующие поодиночке или слишком малыми группами. Успешно добравшись до станции, Хан чувствует, что в следующем туннеле опасность, и решает идти по встречному туннелю. Группа его не поддерживает, утверждая, что идти по встречному туннелю — плохая примета, но Артём и ещё один член группы — бородач Туз — следуют за Ханом. Остаток группы, продолживший путь по туннелю, погибает, а Хана, Артёма и Туза начинает преследовать некая сила, от которой тем удаётся спастись, достигнув Китай-Города. На таможне Артём, не знающий местных правил, едва не провоцирует конфликт с охранниками-бандитами, но благодаря Хану всё удаётся уладить мирно.
Когда Артём, прогулявшись по станции, перекусывает в трактире, на Китай-город нападают другие бандиты и парень, не найдя Хана и Туза, устремляется за мирными жителями в сторону Кузнецкого моста, встретив по пути старика Михаила Порфирьевича и его психически нездорового внука Ванечку. Артём помогает старику справиться с сердечным приступом. Благодаря связям деда на станции Артёма пропускают через пост с оружием. Там Михаил Порфирьевич рассказывает Артёму о событиях, происходящих в округе, но ночью их подслушивают шпионы Красной линии. Знакомый старика, Константин Алексеевич, спасает его от преследования, выведя всех троих со станции.
Вместе с Михаилом и Ванечкой Артём доходит до Пушкинской, захваченной фашистами. Видя неполноценность Ванечки и отсутствие его фотографии в паспорте старика, фашистский офицер начинает обыск Михаила Порфирьевича. Офицер ударяет старика, Ванечка в ответ на это кусает фашиста, и тот убивает мальчика. Артём, успевший привязаться к новому спутнику, в гневе разряжает в офицера автомат. Фашисты пленяют Артёма. На допросе парня жестоко избивают. На все вопросы Артём отвечает положительно, таким образом пытаясь уменьшить количество побоев, и вскоре фашисты узнают, что он, якобы, злостный враг Рейха, засланный красными для подрыва их стабильности, и приговаривают Артёма к смертной казни через повешение. Неизвестные, ворвавшиеся в туннель на дрезине, срывают экзекуцию и спасают Артёма.
Знакомясь со своими спасителями — бойцами так называемой Первой интернациональной бригады имени Че Гевары — комиссаром Русаковым и товарищами Фёдором, Лулумбой, Банзаем и Карацюпой, Артём вместе с ними добирается до Павелецкой где они его и оставляют. Артём встречается с местным жителем Марком, который мечтает эмигрировать на соседнюю кольцевую, принадлежащую Ганце, решая принять участие в крысиных бегах, которыми увлекаются жители Павелецкой. Он заключает пари с начальником смежной Павелецкой, гласящее, что если крыса Марка обгонит крысу начальника, которая является абсолютным лидером всех бегов, то Артём и Марк получат визы по всей Ганзе, а иначе — будут мыть уборные на ганзейской Павелецкой целый год. Марк проигрывает пари, и их с Артёмом ведут на новое место работы. На пятый день мытья туалетов Артём, весь пропахший испражнениями, сбегает. Благодаря запаху он беспрепятственно проходит Добрынинскую и попадает на Серпуховскую. Там его находит член секты Свидетелей Иеговы — брат Тимофей. Он отводит его в Сторожевую башню — сохранившийся в туннеле между Серпуховской и Тульской поезд, в котором живут сектанты. Артём моется, а затем посещает собрание свидетелей. Прослушав его, Артём, будучи атеистом, убегает оттуда и достигает станции Полянка, на которой ему чудятся двое — Евгений Дмитреевич и Сергей Андреевич. Артём разговаривает с ними о смысле жизни и о самой судьбе. Покинув станцию, Артём преодолевает последний перегон (в котором он слышит необычные звуки) и наконец попадает на Боровицкую — станцию, принадлежащую Полису.
Там он, познакомившись с Брамином Данилой у которого и ночует, встречается с полковником Мельниковым и передаёт ему послание Хантера. Совет полюса слушает доклад героя о ситуации, происходящей на ВДНХ, включая причину, по которой он проделал данный путь. Произошедшее с Артёмом на Полянке вызывает интерес у браминов, и они решают попробовать отыскать в Великой Библиотеке — бывшей Ленинской — Книгу будующего, которую обычные люди найти не способны. Взамен они обещают Артёму помочь ВДНХ.
Вместе с Мельником, сталкером Десятым и Данилой, Артём выходит на поверхность. Несмотря на приказ Мельника не смотреть на звёзды кремля, Артём бросает взгляд на одну из них, из-за чего, как и все, кто смотрит на Кремль, бежит в его распахнутые ворота. Его спасают и приводят в себя. В Библиотеке на группу нападают тамошние обитатели — библиотекари. Артём и Данила по приказу Мельника отрываются от сталкеров и идут в книгохранилище, чтобы найти Книгу. По словам Данилы, Артём должен почувствовать её зов. Однако блуждания по архивам оказываются напрасными: Данилу смертельно ранит библиотекарь. Найдя его, Артём узнаёт о записке, которую брамины поручили Даниле передать ему в случае, если тот найдёт Книгу, и просит Артёма убить себя, чтобы больше не мучиться. Артём, поколебавшись, исполняет просьбу Данилы и берёт у него эту записку в конверте. Вернувшись в зал библиотеки, Артём встречается с Мельником и рассказывает ему о произошедшем. Сталкер констатирует, что в Полис Артёму теперь возвращаться нельзя. Он просит Артёма в одиночку добраться по поверхности к станции Смоленской, а сам относит раненного библиотекарем Десятого в госпиталь. Артём отправляется в путь, но по пути его начинают преследовать странные существа. Дабы спастись от них, герой забегает в первый попавшийся подъезд и баррикадируется в одной из квартир.
Он замечает, что бывшие хозяева оставили квартиру в законсервированном состоянии, видимо надеясь туда вернуться, и находит фотографию, на которой, как он предполагает, изображён он сам в двухлетнем возрасте вместе со своей мамой. Следовательно, Артём попал в квартиру, в которой раньше жил. Парень берёт фотографию с собой, надеясь во время возвращения на ВДНХ спросить у отчима, так ли выглядела его мать. Выждав момента, Артём продолжает путь и с большим трудом, преследуемый теми же мутантами, добирается до Смоленской.
Встретивший его Мельник читает записку, предоставленную Артёму умирающим Данилой. Согласно ей недалеко от Москвы находится уцелевшая ракетная часть, которыми можно уничтожить чёрных, а дорога к нему проходит через Д-6. На Киевской Артём с Мельником останавливаются: полковник вместе со встреченным Третьяком уходит на Маяковскую, где находится один из входов в Д-6, а Артём остаётся на станции и идёт с Антоном в дозор к Парку победы, отделённому от Киевской завалом. К дозору прибегает сын Антона — Олег. Когда Антон отходит, попросив Артёма присмотреть за Олегом, мальчик бежит к завалу с игрушечной шарманкой, зовя с собой Артёма. Олег прислоняет шарманку к трубе, которая усиливает музыку, и Артём слышит, как что-то со стороны мёртвой и отрезанной от всего метро станции Парк Победы отвечает на эту музыку. Артём пугается и уводит Олега обратно к дозорному костру. Ночью Артём, пьяный после встречи с администратором станции, ищет свою палатку и видит страшного человека, который оглушает его ударом по голове. Ночью Олег пропадает, подобно другим маленьким детям, часто пропадающим без вести на этой станции. Артём, чувствуя себя виновным за то, что позволил Олегу поиграть на шарманке в трубу, отправляется на поиски мальчика. Он находит люк в потолке туннеля, зовёт горюющего Антона, и они вдвоём влезают в люк, после чего отправляются к Парку Победы.
Там их обоих берут в плен дикари-червепоклонники, живущие на станции. За время плена Артём узнаёт от их жреца об этой организации и о её быте. Немного погодя на Парк врывается хорошо экипированная группа Мельника. Отряд спасает Артёма вместе с Антоном и Олегом. Когда их зомбирует один из членов организации, Артёму удаётся ранить гипнотизёра и сымитировать голос командира, чтобы спасти отряд. Спасатели успешно отступают, обнаружив вход в Д-6 со станции. Червепоклонники не преследуют отряд, поскольку этот день для них запретный для входа в тамошние тоннели. Артём видит, как нечто огромное с шумом продвигается мимо прохода. В конечном счёте отряд приходит на станцию, находящуюся под Кремлём, и на которой засела биомасса — результат биологического оружия, манящая людей к себе. С трудом справившись с биомассой, бросив в неё бак от огнемёта, но потеряв Оганесянина и Олега, выжившие уходят со станции. По приказу Мельника, Артём и Ульман возвращаются в Метрополитен, чтобы подняться на Останкинскую башню и координировать удар, в то время как остальные отправятся в ракетную часть. Перед подъёмом Артёму удаётся посетить ВДНХ, которая еле держится под напором атакующих её чёрных, и поговорить с отчимом. Артем расказывает ему про свою историю,про просьбу Охотника,на что тот реагирует спокойно.Отчим перед уходом Артёма на поверхность объясняет, что в темноте не видел, как выглядит его мать.
На поверхности Артём ждёт Ульмана и Павла и во время их отсутствия укрывается в киоске, где читает историю выжившей в ходе войны девушки, чей труп лежит здесь. В своих последних записях, сделанных на стене, она просит о том, чтобы ее похоронили по-человечески. Через некоторое время прибывают Ульман с Пашей и все трое, так и не выполнив просьбу девушки, на пожарной машине добираются до башни. Троица поднимается на самый её верх и передает Мельнику координаты гнезда черных.
За несколько секунд до падения ракет у Артёма происходит видение, из которого он понимает, что чёрные не желали людям зла и на самом деле шли к ним, чтобы наладить контакт. Артём же являлся избранным. Чёрные вновь показывают ему лицо его матери, а затем Артём смотрит с башни на живую, довоенную, Москву вместо уничтоженной. Однако он не успевает отменить запуск, поскольку ракеты уже ударили по улью. Сорвав с себя противогаз, Артём спускается с башни, игнорируя радостные крики Ульмана, и уходит в родное Метро.
