Gabriel Logan e Lian Xing sono agenti dell'Agenzia, sulle tracce di Erich Rhoemer, un terrorista internazionale. Nell'agosto del 1999, l'agente Ellis tentò di infiltrarsi nell'operazione narcotica di Rhoemer a Guácimo, Costa Rica, ma fu scoperto e giustiziato dall'ex agente KGB Mara Aramov. Rhoemer ordinò quindi Anton Girdeux, un mercenario francese, di dare fuoco alla piantagione per nascondere le prove della loro ricerca su Syphon Filter. In Washington, D.C., Edward Benton, il Vice Direttore dell'Agenzia, sta informando sulla missione di Logan al Direttore dell'Agenzia Thomas Markinson e a una figura oscura senza nome. Qualche settimana dopo, Gabe e Lian indagano su un misterioso focolaio virale nell'Himalaya, che lascia un solo superstite. (Lian lo descrive come impossibile.) Il gioco inizia un mese dopo gli eventi in Costa Rica. Rhoemer e i suoi terroristi hanno lanciato un assalto su Washington, D.C. Gabe sconfigge Pavel Kravitch, l'esperto di comunicazioni di Rhoemer, il che gli permette di entrare nella metropolitana di Washington. Una volta all'interno, scoppia un'esplosione che lascia Gabe intrappolato sottoterra. Insegue Aramov, prendendola nei tunnel prima di dirigersi verso un parco nelle vicinanze per aiutare a disinnescare diverse bombe virali, dove scopre che Aramov è fuggita dalla custodia. Raggiunta il Freedom Memorial, Gabe affronta e sconfigge Jorge Marcos, l'esecutore degli ordini di Rhoemer, prima che egli incenerisca Girdeaux. I risultati di laboratorio mostrano che Syphon Filter è un'arma biologica mortale di nuova generazione, capace di mirare a specifiche demografie. Jonathan Phagan, CEO e fondatore di PHARCOM, partecipa a una gala nel suo nuovo Expo Center Museum a New York City, dove viene catturato da Aramov e Benton viene rivelato come agente doppio. Gabe uccide Benton e libera Phagan, ma Aramov, che è catturata, fugge di nuovo dalla custodia. Gabe va alla base segreta di Rhoemer a Rozova, in Kazakistan. Uccide il comandante di Rhoemer Vladislav Gabrek e distrugge la base, ma Lian viene catturata e presumibilmente uccisa da Rhoemer. Gabe viene quindi inviato a infiltrarsi nella fortezza di Rhoemer a Uzhhorod, in Ucraina, che è una cattedrale abbandonata. Iniettando ai pazienti virali ciò che è convinto sia un antidoto, Gabe scende più in profondità nella cattedrale per salvare Lian; la quale spiega che non esiste un antidoto 'globale' per il virus. Trovano anche Phagan, che in seguito viene ucciso da Aramov. Lei decide di aiutare Gabe e Lian, dato che non ha altro posto dove andare. Gabe entra quindi nei magazzini PHARCOM ad Almaty, in Kazakistan, dove la sicurezza di PHARCOM sta fronteggiando gli uomini di Rhoemer. Gabe apprende che Markinson, che aveva negoziato segretamente con Rhoemer per ottenere Syphon Filter per l'Agenzia, aveva costretto Gabe a iniettare ai pazienti cloruro di potassio. Rhoemer rivela di aver catturato un ICBM nucleare dell'era sovietica. Rhoemer spara a Markinson e avvia la sequenza di lancio del missile. Gabe non può impedirne il lancio, quindi la sua unica speranza è avviare la sequenza di autodistruzione una volta che si trovi nell'alta atmosfera. Gabe distrugge con successo il missile. Rhoemer, furioso per l'interferenza di Logan, lo affronta in uno scontro finale. Gabe riesce a ucciderlo e scongiurare la Terza Guerra Mondiale. In una scena post-credit, la figura oscura dall'inizio del gioco tiene un campione di Syphon Filter all'interno della sede dell'Agenzia con Aramov, che ride.