브루스 웨인이 아캄 시티에 대한 반대 입장을 선언하기 위해 열린 기자회견에서 TYGER 용병들이 그를 체포하고 아캄 시티에 감금합니다. 휴고 스트레인지가 웨인의 이중 정체성인 배트맨에 대한 지식을 공개한 후, 그는 웨인을 감옥의 범죄자들 속으로 풀어줍니다. 스트레인지가 "프로토콜 10"을 시작할 준비를 하는 동안, 웨인은 알프레드 펜니워스의 공중 투하를 통해 장비를 얻고 배트맨이 됩니다. 그는 먼저 투페이스에게 처형당할 위기에 처한 캣우먼을 구합니다. 투페이스는 그녀를 죽임으로써 존경을 얻으려 합니다. 조커가 캣우먼을 암살하려고 시도한 후, 배트맨은 조커가 프로토콜 10의 진실을 알고 있을 것이라고 믿고 그의 은신처인 시오니스 제철소를 추적합니다.
그곳에서 배트맨은 타이탄 포뮬러의 불안정한 성질이 조커의 혈액에서 변이되어 그를 서서히 죽이고 있다는 사실을 알게 됩니다. 조커는 배트맨을 붙잡고 혈액 수혈을 하여 그에게도 같은 치명적인 질병을 감염시킵니다. 조커는 또한 고담의 병원들이 그의 감염된 혈액으로 독살되었다고 밝힙니다. 자신과 무고한 시민들을 구하기 위해 배트맨은 치료제를 개발 중이던 미스터 프리지를 찾지만, 그는 펭귄에게 납치당한 상태입니다.
배트맨은 펭귄의 위치를 추적하여 사이러스 핑크니 국립 역사 연구소에 도착하고, 그의 부하들과 감금된 괴물 솔로몬 그런디, 그리고 결국 펭귄 자신을 물리친 후 미스터 프리지를 구출합니다. 프리지는 이미 치료제를 개발했지만 불안정성 때문에 쓸모없다고 말합니다. 배트맨은 라즈 알 굴의 혈액이 치료제를 완성할 수 있다는 것을 추론합니다. 배트맨은 라즈 알 굴의 암살자 중 한 명을 추적하여 그의 지하 은신처로 가게 되고, 그곳에서 라즈와 그의 딸 탈리아, 배트맨의 이전 연인과 대면하게 됩니다. 라즈 알 굴의 혈액으로 프리지는 해독제를 개발할 수 있지만, 배트맨이 사용하기 전에 할리 퀸에게 도난당합니다.
조커에게 돌아간 배트맨은 그가 건강을 회복한 것을 발견합니다. 두 사람이 싸우는 동안, 스트레인지가 프로토콜 10을 활성화합니다. 이는 아캄 시티의 전체 인구를 제거하고 고담의 범죄 요소를 파괴하려는 음모로 드러납니다. TYGER 군대는 수감자들을 처형하기 시작하고, 스트레인지는 원더 타워의 기지에서 아캄 시민들에게 미사일 공격을 시작합니다. 미사일이 제철소를 강타하여 배트맨을 잔해 속에 묻히게 합니다. 조커가 상황을 이용하기 전에 탈리아가 도착하여 배트맨의 생명을 살려주는 대가로 그에게 불사의 삶을 제안합니다. 캣우먼의 도움으로 탈출한 배트맨은 알프레드의 설득으로 프로토콜 10을 끝내기로 결심한 후 탈리아와 조커를 추적합니다.
배트맨은 원더 타워에 침투하여 프로토콜 10을 비활성화합니다. 라즈 알 굴이 아캄 시티의 진정한 배후임이 밝혀지고, 배트맨을 처치하지 못한 스트레인지를 치명적으로 다칩니다. 스트레인지는 죽어가면서 "프로토콜 11", 즉 원더 타워의 자폭을 활성화합니다. 배트맨과 라즈는 탈출하지만, 라즈는 포로가 되는 것을 피하기 위해 자살합니다. 조커는 배트맨에게 연락하여 탈리아를 죽이겠다고 위협하며 그를 모나크 극장에서 만나자고 합니다. 배트맨이 도착하자 조커는 치료제를 요구하지만, 탈리아에게 방심한 사이에 찔려 죽은 것처럼 보입니다. 탈리아는 퀸에게서 치료제를 훔쳤다고 인정하지만, 두 번째 조커에게 살해당합니다. 여전히 병에 걸린 조커의 모습으로 나타난 건강한 조커는 사실 변신 능력을 가진 클레이페이스로, 아픈 악당의 요청에 따라 건강한 조커로 가장하고 있던 것입니다.
배트맨은 클레이페이스를 무력화하지만, 조커는 극장 바닥을 폭파시켜 배트맨을 라즈의 은신처 아래로 떨어뜨립니다. 배트맨은 조커가 사용할 수 없도록 라즈의 재생 라자루스 핏을 파괴하고 해독제의 일부를 마십니다. 배트맨은 적을 치료할지 고민하지만, 조커가 공격해오면서 해독제 병이 우연히 깨집니다. 배트맨은 조커가 저지른 모든 일에도 불구하고 그를 구했을 것이라고 인정합니다. 조커가 마침내 병으로 쓰러져 죽자, 배트맨은 그의 시신을 아캄 시티에서 끌고 나옵니다. 고든 위원장이 무슨 일이 있었는지 묻자, 배트맨은 조커의 시신을 경찰차의 보닛에 놓고 조용히 떠납니다.
At a press conference held by Bruce Wayne to declare his opposition to Arkham City, TYGER mercenaries arrest and imprison him in Arkham City. Hugo Strange discloses his knowledge of Wayne's dual identity as Batman before releasing him into the prison's criminal populace. While Strange prepares to commence "Protocol 10", Wayne obtains his equipment via airdrop from Alfred Pennyworth, allowing him to become Batman. He first saves Catwoman from being executed by Two-Face, who hopes to gain respect by murdering her. After Joker attempts to assassinate Catwoman, Batman tracks him to his hideout in the Sionis Steelmill, believing Joker may know the truth behind Protocol 10.
There, Batman learns that the unstable properties of the Titan formula are mutating in Joker's blood, gradually killing him. Joker captures Batman and performs a blood transfusion on him, infecting him with the same fatal disease. Joker also reveals that Gotham hospitals have been poisoned with his infected blood. Desperate to save himself and innocent citizens, Batman seeks out Mr. Freeze, who had been developing a cure but has since been kidnapped by the Penguin.
Tracking Penguin to the Cyrus Pinkney National History Institute, Batman defeats his forces, his imprisoned monster Solomon Grundy, and ultimately the Penguin himself, before liberating Mr. Freeze. Freeze tells Batman that he has already developed the cure, but its instability renders it useless. Batman deduces that the restorative properties of Ra's al Ghul's blood can complete the cure. Batman tracks one of Ra's al Ghul's assassins to his underground lair, leading Batman into a confrontation with Ra's and his daughter Talia, Batman's former lover. With Ra's al Ghul's blood, Freeze is able to develop an antidote, but it is stolen by Harley Quinn before Batman can use it.
When he returns to the Joker, Batman finds him restored to health. While the two fight, Strange activates Protocol 10, which is revealed to be a scheme to wipe out the entire population of Arkham City and destroy the criminal element of Gotham. The TYGER troops begin executing inmates as Strange launches missile strikes on Arkham's denizens from his base in Wonder Tower. A missile hits the steelmill, burying Batman under rubble. Before Joker can take advantage of the situation, Talia arrives and offers him immortality in exchange for sparing Batman's life. After escaping with the help of Catwoman, Batman is convinced by Alfred to end Protocol 10 before pursuing Talia and Joker.
Batman infiltrates Wonder Tower and disables Protocol 10. Ra's al Ghul is revealed to be the true mastermind behind Arkham City and mortally wounds Strange for failing to defeat Batman. With his dying breath, Strange activates "Protocol 11", the self-destruction of Wonder Tower. Batman and Ra's escape, but Ra's commits suicide rather than risk capture. Joker contacts Batman, threatening to kill Talia unless Batman meets him at the Monarch Theater. Once Batman arrives, Joker demands the cure but is stabbed and apparently killed by Talia while distracted. Talia admits to stealing the cure from Quinn, when she is killed by a second Joker, still stricken with the disease. The healthy Joker that Talia stabbed then reanimates into the shapeshifting Clayface, who is revealed to have been masquerading as a healthy Joker all along at the ailing villain's request.
Batman incapacitates Clayface, but Joker blows up the theater floor, sending Batman plummeting into Ra's' lair below. Batman destroys Ra's' rejuvenating Lazarus Pit before the Joker can use it, and drinks a portion of the antidote. Batman debates curing his foe but is attacked by Joker before he can act, causing the antidote vial to inadvertently smash. Batman admits that in spite of everything Joker had done, he would have saved him. After Joker finally succumbs to his illness and dies, Batman carries his body out of Arkham City. As Commissioner Gordon asks what happened, Batman places Joker's body on the hood of a police car and leaves in silence.