Gordon Freeman viene estratto dalla stasi dal G-Man, che lo fa salire su un treno in arrivo a City 17. Dopo l'arrivo in stazione e l'aver eluso le forze Combine, Gordon si unisce ai membri della resistenza Lambda, tra cui Barney Calhoun, un ex agente di sicurezza di Black Mesa ora al lavoro sotto copertura come ufficiale CP dei Combine, e Alyx Vance, la figlia di uno dei vecchi colleghi di Gordon, il Dr. Eli Vance. Dopo un tentativo fallito di teletrasportare Gordon a Black Mesa East dal laboratorio allestito del Dr. Kleiner, Gordon, di nuovo equipaggiato con la tuta HEV e una spranga, è costretto a intraprendere a piedi il vecchio sistema di canali della città. Dopo aver ottenuto un airboat, si fa strada verso Black Mesa East, a diverse miglia dalla città. Gordon viene presentato di nuovo a Eli e incontra il Dr. Judith Mossman. Alyx presenta Gordon al suo grande robot domestico D0g e gli consegna una "Gravity Gun", un'arma che permette a Gordon di sollevare e spostare qualsiasi oggetto di grandi dimensioni con facilità. Black Mesa East è presto attaccata dai Combine e Eli e Mossman sono catturati per essere portati in una prigione dei Combine, Nova Prospekt. Gordon e Alyx sono costretti a prendere percorsi separati verso Nova Prospekt; Gordon prende una deviazione attraverso la città di Ravenholm, ricevendo aiuto dall'ultimo sopravvissuto, Padre Grigori. Dopo essersi fatto strada per la città e in una miniera, Gordon giunge a una base della Resistenza. Gordon riceve un Dune Buggy, che usa per viaggiare lungo una strada costiera in rovina verso Nova Prospekt. Sulla strada, Gordon affronta frequenti pattuglie Combine e aiuta uno dei leader della Resistenza, il Colonnello Odessa Cubbage, a difendere una base della Resistenza da un gunship dei Combine. Dopo aver attraversato una spiaggia infestata da antlion, Gordon entra in Nova Prospekt, dove si riunisce ad Alyx. Riescono a trovare Eli, ma scoprono anche che Mossman è un'informatrice dei Combine. Prima che possano fermarla, lei si teletrasporta insieme a Eli di nuovo alla Citadel di City 17. Il teletrasportatore dei Combine esplode mentre Gordon e Alyx lo usano per fuggire da Nova Prospekt. Raggiunto il laboratorio del Kleiner, un Dr. Kleiner scosso rivela a Gordon e Alyx di essere stati catturati in un "teletrasporto lento", durante il quale era passata una settimana. In loro assenza, la Resistenza, venuta a conoscenza di quanto accaduto a Nova Prospekt, si è mobilitata contro i Combine, trasformando City 17 in un campo di battaglia. Durante i combattimenti, Alyx viene catturata dai Combine e portata alla Citadel, e Gordon lotta per la città con l'aiuto di D0g e di Barney per raggiungerla. All'interno della Citadel, viene catturato in una camera di confisca dei Combine che distrugge tutte le sue armi tranne la Gravity Gun, l'energia che ne potenzia le capacità e permette a Gordon di scappare ed eliminare plotoni di soldati dei Combine. Alla fine, Gordon viene catturato a bordo di una navetta di trasporto dei Combine e portato nell'ufficio del Dr. Breen, dove lui e Mossman aspettano con Eli e Alyx in cattività. Il Dr. Breen inizia a spiegare i suoi piani per un'ulteriore conquista degli umani da parte dei Combine, contrariamente a quanto aveva detto alla Mossman. Offeso, Mossman libera Gordon, Alyx ed Eli prima che Breen li teletrasporti fuori dal mondo. Il Dr. Breen tenta di fuggire attraverso un portale, ma Gordon lo insegue e distrugge il reattore del portale con la Gravity Gun super-caricata. Sembra che Breen sia annientato nell'esplosione risultante. Proprio prima che Gordon e Alyx incontrino presumibilmente la stessa sorte, il tempo si congela. Il G-Man riappare, lodando Gordon per le sue azioni a City 17 e nella Citadel. Alludendo vagamente a "offer for [Gordon's] services", il G-Man lo ripone nuovamente in stasi.