벌렛스톰은 26세기, 행성 연합이 사라노 장군이 지휘하는 비밀 블랙옵스 군대인 데드 에코에 의해 보호받는 시대를 배경으로 한다. 그레이슨 헌트(스티븐 블룸)가 이끄는 데드 에코 팀은 사라노의 명령에 따라 자신들이 마약 밀매범과 대량 살인범이라고 믿는 사람들을 암살해왔다. 그들은 브라이스 노박이라는 남자를 죽이지만, 그가 데드 에코에 의해 발생한 다른 민간인 사망 사건을 기록한 민간 기자라는 사실을 곧 알게 된다. 그레이슨과 그의 팀은 사라노에게 속았음을 깨닫고 탈영하여, 이제 파이널 에코라는 이름으로 사라노의 세력으로부터 도망치는 우주 해적이 된다.
10년 후, 그레이슨의 팀은 스티지아 행성 근처에서 사라노의 전투 순양함 유리시스에서 탈출하려고 한다. 그들의 우주선 시스템이 고장 나자, 그레이슨은 술에 취한 상태에서 승무원들에게 유리시스를 들이받으라고 명령하며 사라노에게 복수를 다짐한다. 두 배가 충돌하여 둘 다 추락하게 되고, 스티지아의 표면에 불시착한다. 그레이슨의 부하 중 한 명인 이시 사토(앤드류 키시노)는 추락 사고로 중상을 입고, 그레이슨은 우주선의 의료 장비를 작동시키기 위해 에너지 셀을 찾아야 한다. 그 행성은 한때 인기 있는 열대 리조트 지역이었으나, 이제는 인구가 야생 부족과 육식 식물로 변이해 있다. 그레이슨은 유리시스의 탈출 포드 중 하나로 싸워 나가고, 그곳에서 파이널 에코의 병사가 변이체 무리에 의해 쓰러지는 모습을 목격한다. 공격자들을 처치한 후, 그레이슨은 탈출 포드의 에너지 셀과 적을 처치할 때마다 점수를 제공하는 "본능 끈"을 회수한다.
그레이슨은 에너지 셀을 가지고 돌아오고, 이시가 수술 중일 때 변이체들이 그들의 우주선을 공격한다. 전투 중 폭발로 수술이 중단되면서 이시는 변형된 사이보그가 된다. 그레이슨과 이시는 유일한 생존자로서, 이시가 그레이슨의 복수심에 반대하더라도 함께 행성을 탈출하기로 결심한다. 본능 끈은 그레이슨을 또 다른 탈출 포드로 인도하고, 그곳에서 트리시카(제니퍼 헤일)라는 또 다른 파이널 에코 병사를 만나게 된다. 트리시카는 그레이슨과 이시와 함께 일하기로 동의하지만, 사라노를 구출한 후에만 그렇게 하겠다고 한다. 그들은 황폐해진 도시를 싸우며 지나가고, 트리시카는 스티지아가 파이널 에코의 훈련장으로 사용되었으며, 병사들이 착용하는 본능 끈이 시험 내에서 순위를 매기는 수단이라고 설명한다. 적을 처치한 점수를 얻은 자만이 생존을 위한 탄약과 기타 보급품을 받을 수 있다. 그레이슨이 트리시카가 노박의 딸이라는 사실을 알게 되자, 그는 사라노가 그녀의 아버지를 죽였다고 말하지만, 실제로 그를 죽인 사람은 모른다고 주장한다.
세 사람은 사라노의 탈출 포드가 착륙한 고층 건물의 꼭대기로 향한다. 트리시카는 사라노를 아버지의 죽음에 대해 비난하지만, 사라노는 그녀를 건물의 가장자리로 차버린다. 사라노는 그레이슨과 이시에게 유리시스에 장착된 무장 DNA 폭탄이 행성의 모든 생명을 없앨 것이라고 경고하며, 그들을 보내어 폭탄을 해체해야 한다고 말한다. 그의 구조선이 제시간에 도착하지 않을 것이기 때문이다. 사라노는 그들을 도시의 지하 지역으로 안내하며 방사능 폐기물과 거대한 감옥을 만난다. 사라노는 행성의 표면을 치명적인 전기 폭풍으로부터 보호하기 위해 사용된 방패가 폐기물을 만들어냈고, 그로 인해 표면 인구가 변이되기 시작했다고 비꼬듯 설명한다. 변화가 너무 빨라 대부분의 표면 인구가 구출되지 못했고, 그래서 그레이슨이 싸워온 많은 변이체들이 더 무고한 민간인들이었다. 그레이슨은 이 사실에 분노하지만, 유리시스의 잔해에 도달하기 위해 사라노를 도와준다. 유리시스에 탑승한 그레이슨과 이시는 사라노에게 다시 속아 DNA 폭탄을 작동시키게 된다. 사라노의 구조선은 제시간에 그를 구하러 올 것이다. 추락한 배에서 불이 나자, 두 사람은 추락 중 전선에 걸려 살아남은 트리시카에게 구출된다.
세 사람은 사라노의 구조선이 착륙하는 곳으로 달려가 탑승에 성공한다. 그들은 사라노의 정예 부대를 뚫고 나가 결국 사라노와 단독으로 맞서게 된다. 트리시카는 아버지를 실제로 죽인 사람이 누구인지 묻고, 사라노는 그레이슨을 지목한다. 혼란 속에서 사라노는 이시의 컴퓨터 시스템을 해킹하여 그가 친구들에게 공격하도록 강요한다. 그레이슨은 이시의 사라노에 대한 통제를 끊어내고, 이시는 그레이슨을 구하기 위해 자신을 희생한다. 그레이슨은 사라노를 배의 벽에 찔러넣는다. 그레이슨과 트리시카가 재결합하자, 사라노는 마지막 행동으로 그레이슨, 트리시카, 그리고 그의 부하 몇 명을 배에서 행성으로 다시 내던진다. DNA 폭탄이 곧 폭발할 상황에서, 그레이슨과 트리시카는 유리시스로 돌아가 남아 있는 탈출 포드에 탑승하여 저궤도로 탈출하고, DNA 폭탄이 터질 때 그 범위에서 벗어난다.
Bulletstorm takes place in the 26th century, where the Confederation of Planets are protected by a secret black-ops army called Dead Echo, commanded by General Sarrano. One Dead Echo team, led by Grayson Hunt (Steven Blum), having been following Sarrano's orders in assassinating what they believe are drug traffickers and mass murderers, kill a man known as Bryce Novak, but soon discover he was a civilian reporter, having documented other civilian deaths caused by Dead Echo. Grayson and his team realize they have been duped by Sarrano and go AWOL, becoming space pirates on the run from Sarrano's forces, now going by the name Final Echo.
Ten years later, Grayson's team tries to flee from Sarrano's battlecruiser, the Ulysses, while near the planet of Stygia. With their ship's systems failing, Grayson, in a drunken stupor, orders the crew to ram at the Ulysses, hoping to gain revenge on Sarraro. The ships collide, forcing both down and causing them to crash land on the surface of Stygia. One of Grayson's men, Ishi Sato (Andrew Kishino), is critically wounded in the crash and Grayson is forced to find an energy cell to drive the ship's medical equipment. On the planet, a former popular tropical-like resort destination, the population has mutated into feral tribes and carnivorous plants. Grayson fights through to one of the Ulysses escape pods, where a Final Echo soldier succumbs to a horde of mutants. After dispatching the attackers, Grayson retrieves the escape pod's energy cell, as well as an "instinct leash" that, when worn, begins to provide him strange tactile information, such as points for each enemy he kills.
Grayson returns with the cell, and while Ishi is under operation, the mutants attack their ship. The operation is cut short by an explosion during battle, leaving Ishi a disfigured cyborg. Grayson and Ishi, the only survivors, decide to work together to get off the planet, despite Ishi's disapproval of Grayson's thirst for revenge. The instinct leash leads Grayson to another escape pod, where they find Trishka (Jennifer Hale), another Final Echo soldier who agrees to work with Grayson and Ishi, but only after they rescue Sarrano. As they battle through the ravaged city, Trishka explains that Stygia has been used by Final Echo as a sort of training grounds, with the instinct leashes the soldiers wear as a means of ranking those within the test; those that scored kills would be the only ones that could get ammunition and other supplies to survive. When Grayson learns that Trishka was Novak's daughter, he tells her that Sarrano was responsible for her father's death, but claims he does not know who actually killed him.
The three make their way to the top of a skyscraper where Sarrano's pod landed. Trishka accuses Sarrano of her father's death, but he simply kicks her off the side of the building. Sarrano then warns Grayson and Ishi that there is an armed DNA bomb on the Ulysses that will wipe out all life on the planet, and that they must go and disarm it, as his rescue ship will not arrive in time. Sarrano leads them through the underground areas of the city, encountering radioactive waste and a giant prison. Sarrano snidely explains that that shields used to protect the planet's surface from its deadly electrical storms created the waste, and in turn, began to mutate the population of the surface; the changes occurred too quickly for most of the surface population to be rescued, and thus many of the feral mutants that Grayson has been fighting were more innocent civilians. Grayson is furious at this revelation, but continues to help Sarrano to reach the remains the Ulysses. Aboard, Sarrano tricks Grayson and Ishi once again, having them actually arm the DNA bomb, while his rescue ship will arrive in time to save him. As fire breaks out aboard the fallen ship, the two are saved by Trishka, who survived the fall by catching a power line on her way down.
The three race to where Sarrano's rescue ship is landing and manage to get on board. They make their way through Sarrano's elite troops and eventually face Sarrano alone. Trishka demands to know who actually killed her father, to which Sarrano indicts Grayson. In the confusion, Sarrano hijack's Ishi's computer systems, forcing him to turn on his friends. Grayson manages to break Sarrano's control of Ishi, and Ishi sacrifices himself to prevent Sarrano from killing Grayson. Grayson then impales Sarrano on the wall of a ship. As Grayson and Trishka regroup, Sarrano performs one final act, ejecting Grayson, Trishka and several of his men from the ship back onto the planet. With the DNA bomb soon to detonate, Grayson and Trishka race back to the Ulysses where one escape pod remains unlaunched; they are able to board it and escape into low orbit, out of range of the DNA bomb when it goes off.