Bulletstorm si svolge nel 26º secolo, dove la Confederazione dei Pianeti è protetta da un esercito segreto di operazioni speciali chiamato Dead Echo, comandato dal Generale Sarrano. Un team dei Dead Echo, guidato da Grayson Hunt (Steven Blum), avendo seguito gli ordini di Sarrano nell’assassinare ciò che ritenevano trafficanti di droga e assassini di massa, uccide un uomo noto come Bryce Novak, ma scopre presto che era un giornalista civile che aveva documentato altre morti civili causate da Dead Echo. Grayson e il suo team si rendono conto di essere stati ingannati da Sarrano e disertano, diventando pirati dello spazio in fuga dalle forze di Sarrano, ora noti con il nome Final Echo. Dieci anni dopo, il team di Grayson cerca di fuggire dalla corazzata da battaglia di Sarrano, l’Ulysses, vicino al pianeta Stygia. Con i sistemi della loro nave in panne, Grayson, in stato di ubriachezza, ordina all’equipaggio di speronare l’Ulysses, sperando di vendicarsi di Sarraro. Le navi collidono, costringendole entrambe a precipitare e ad atterrare sulla superficie di Stygia. Uno dei uomini di Grayson, Ishi Sato (Andrew Kishino), è gravemente ferito nell’impatto e Grayson è costretto a trovare una cella energetica per alimentare l’attrezzatura medica della nave. Sul pianeta, una ex popolare destinazione turistica tropicale, la popolazione si è mutata in tribù ferali e piante carnivore. Grayson si fa strada fino a una delle capsule di salvataggio dell’Ulysses, dove un soldato di Final Echo soccombe davanti a un’ondata di mutanti. Dopo aver respinto gli attaccanti, Grayson recupera la cella energetica della capsula di salvataggio, nonché un “collare istintivo” che, indossato, inizia a fornire a lui strane informazioni tattili, come punteggi per ogni nemico ucciso. Grayson torna con la cella e, mentre Ishi è sottoposto a intervento, i mutanti attaccano la loro nave. L’operazione è interrotta da un’esplosione durante la battaglia, lasciando Ishi deturpato e divenuto cyborg. Grayson e Ishi, gli unici sopravvissuti, decidono di collaborare per lasciare il pianeta, nonostante l’assenso di Ishi per la sete di vendetta di Grayson. Il collare istintivo porta Grayson verso un’altra capsula di salvataggio, dove trovano Trishka (Jennifer Hale), un’altra soldat di Final Echo che accetta di collaborare con Grayson e Ishi, ma solo dopo aver salvato Sarrano. Mentre attraversano la città devastata, Trishka spiega che Stygia è stata usata da Final Echo come una sorta di terreno di addestramento, con i collari istintivi che i soldati indossano come mezzo per classificare chi è all’interno del test; coloro che hanno totalizzato uccisioni sarebbero stati gli unici a poter ottenere munizioni e altre forniture per sopravvivere. Quando Grayson scopre che Trishka era la figlia di Novak, le dice che Sarrano fu responsabile della morte di suo padre, ma sostiene di non sapere chi l’avesse ucciso davvero. I tre si dirigono verso le sommità di un grattacielo dove è atterrato il modulo di Sarrano. Trishka accusa Sarrano della morte di suo padre, ma lui la mette semplicemente giù dal bordo dell’edificio. Sarrano avverte quindi Grayson e Ishi che sull’Ulysses esiste una bomba DNA armata che eliminerà tutta la vita sul pianeta, e che devono andare a disarmarla, poiché la sua nave di salvataggio non arriverà in tempo. Sarrano li guida attraverso le zone sotterranee della città, incontrando rifiuti radioattivi e una gigantesca prigione. Sarrano spiega, sprezzante, che gli scudi usati per proteggere la superficie dalle sue tempeste elettriche mortali hanno creato i rifiuti e, a loro volta, hanno iniziato a mutare la popolazione della superficie; i cambiamenti sono avvenuti troppo rapidamente affinché la maggior parte della popolazione superficiale potesse essere salvata, e quindi molti dei ferali mutanti che Grayson ha affrontato erano civili innocenti. Grayson è furioso per questa rivelazione, ma continua ad aiutare Sarrano a raggiungere i resti dell’Ulysses. A bordo, Sarrano inganna Grayson e Ishi ancora una volta, facendoli armare davvero la bomba DNA, mentre la sua nave di salvataggio arriverà in tempo per salvarlo. Mentre sulle đời della nave caduta scoppia un incendio, i due vengono salvati da Trishka, che era sopravvissuta alla caduta afferrando una linea elettrica durante la discesa. I tre corrono verso il luogo in cui atterra la nave di salvataggio di Sarrano e riescono a salirvi a bordo. Si fanno strada tra le truppe d’élite di Sarrano e alla fine affrontano Sarrano da soli. Trishka pretende di sapere chi ha effettivamente ucciso suo padre, a cui Sarrano incrimina Grayson. Nella confusione, Sarrano prende in ostaggio i sistemi informatici di Ishi, costringendolo a voltarsi contro i suoi amici. Grayson riesce a spezzare il controllo di Sarrano su Ishi, e Ishi si sacrifica per impedire a Sarrano di uccidere Grayson. Grayson allora pianta Sarrano contro il muro di una nave. Mentre Grayson e Trishka si riorganizzano, Sarrano compie un ultimo atto, espellendo Grayson, Trishka e alcuni dei suoi uomini dalla nave e riversandoli sul pianeta. Con la bomba DNA destinata a esplodere a breve, Grayson e Trishka corrono indietro verso l’Ulysses, dove resta una capsula di salvataggio non lanciata; riescono a salirvi a bordo ed entrare in un’orbita bassa, fuori dal raggio d’azione della bomba DNA quando esplode.