Il gioco inizia con un prologo durante l'estate del 2049, in una bufera di neve. In un moderno ma fatiscente supermercato, Nier (Jamieson Price) respinge gli attacchi di mostri eterei per proteggere la sua giovane figlia malata, Yonah (Heather Hogan). Dopo aver sconfitto i mostri, va a controllare Yonah, che ha cominciato a tossire molto. Il gioco salta quindi a 1.312 anni nel futuro, dove il giocatore vede quelli che sembrano essere i due stessi personaggi, ora residenti in un villaggio costruito sulle rovine di una vecchia città. Il villaggio a bassa tecnologia è uno dei diversi ed è circondato da rovine più moderne, come i resti di binari ferroviari e di macchinari industriali. Le aree tra le città sono piene di mostri noti come i Shades che attaccano i viaggiatori. Poiché la malattia di Yonah, il Black Scrawl, è terminale, Nier parte per cercare una cura. Mentre lo fa, Nier trova un libro parlante, Grimoire Weiss (Liam O'Brien), che suggerisce che i due si uniscano per usare la magia di Weiss e trovare una cura per la malattia di Yonah. Durante la loro ricerca, incontrano Kainé (Laura Bailey), una spadatrice dal temperamento focoso e dal linguaggio scurrile; e Emil (Julie Ann Taylor), un ragazzo bendato i cui occhi pietrificano chiunque vedano. Dopo aver viaggiato per un po', il villaggio viene attaccato da un gigantesco Shade; la battaglia si conclude con Yonah portata via da un master Shade che appare improvvisamente — lo Shadowlord — che porta con sé il proprio libro, Grimoire Noir. Il gioco salta allora avanti di cinque anni. Nier e gli altri cercano di trovare i pezzi di una chiave che credono li aiuterà a individuare lo Shadowlord e Grimoire Noir. Dopo aver sconfitto cinque Shades e aver assemblato la chiave, la squadra si dirige a sconfiggere lo Shadowlord. Là, Devola e Popola (entrambi doppiate da Eden Riegel), personaggi che hanno guidato Nier nella sua missione, appaiono per cercare di fermarli. Spiegano che oltre 1300 anni prima, l'umanità affrontò l'estinzione a causa di una malattia incurabile. Nel tentativo di sopravvivere, separarono le loro anime dai loro corpi usando Grimoire Noir e Weiss. Crearono dei cloni resistenti alla malattia, i Replicanti, e intendevano ricombinare le anime, o Gestalts, con i corpi Replicant una volta che la malattia fosse svanita; Devola e Popola erano androidi incaricati di supervisionare il progetto. Nel tempo, i Replicanti avevano cominciato a formare le proprie identità; mentre i Gestalts, o i Shades, erano diventati aggressivi verso di loro. Nier sconfigge la coppia, con Emil che si sacrifica per garantire il progresso dei suoi amici. Il gruppo rimanente poi sconfigge lo Shadowlord, e il giocatore scopre che egli è la forma Gestalt di Nier proveniente dal prologo. Spinto a proteggere la sua Yonah, fu il primo Gestalt e l'ha unita con la Yonah Replicante. La Yonah originale, però, dice al Gestalt Nier che può sentire la nuova Yonah dentro di lei, e che ama il Nier Replicante e merita il corpo tanto quanto lui. Lei lascia il corpo, e Nier e Yonah si riuniscono. Se il giocatore gioca di nuovo, inizia subito dopo il salto di cinque anni. Apprendono il passato di Kainé, incluso che è intersessuale, il che, insieme alla morte dei suoi genitori, ha portato alla sua ostracizzazione da parte dei coetanei, e che è parzialmente posseduta da uno Shade. Il giocatore ottiene la capacità di capire cosa dicono gli Shades, incluso quello che possiede Kainé, anche se Nier, Weiss ed Emil all'interno del gioco non sono ancora in grado di farlo. Vengono mostrati ulteriori filmati, che forniscono le motivazioni e la storia alle spalle dei boss Shade che vengono combattuti, mostrandoli come persone senzienti che cercano di difendere i loro amici contro Nier. La fine della seconda partita mostra che Emil sopravvive al suo sacrificio e che Gestalt Nier e Yonah si riuniscono nell'aldilà. Una terza partita offre al giocatore una scelta nel finale per salvare Kainé, che sembra morire in agonia; Nier può ucciderla per porre fine alla sua sofferenza o sacrificare la sua vita per lei. La seconda scelta non solo cancella ogni ricordo di lui dalle menti degli altri personaggi, come mostrato in una scena finale, ma cancella anche tutti i progressi salvati dal giocatore, come se il gioco non fosse mai stato giocato. Inoltre, se il giocatore desidera iniziare una nuova partita, non sarà in grado di inserire lo stesso nome scelto per la precedente partita per il personaggio Nier.