Bulletstorm brengt nieuw vuur naar first-person shooter actie dankzij de kenmerkende 'kill with skill' gameplay. Het spel vertelt het verhaal van een futuristische confederatie die wordt beschermd door een elitegroep huurlingen: Dead Echo. Wanneer de leden van Dead Echo, Grayson Hunt en Ishi Sato, ontdekken dat ze aan de verkeerde kant hebben gewerkt, worden ze verraden door hun commandant en verbannen naar de uithoeken van de galaxie. In Bulletstorm bevinden Grayson en Ishi zich omringd door horden mutanten en vleesetende bendes in een verlaten paradijs. Ze hebben twee doelstellingen: levend van de planeet ontsnappen en wraak nemen op de man die hen daarheen heeft gestuurd.

Spelers stappen in de rol van Grayson Hunt, compleet met een arsenaal aan overdreven gevechtsmoves en buitensporig grote wapens. De reeks unieke 'skillshots' van Bulletstorm produceert ongekende niveaus van hectische gameplay en voldoening die schreeuwen om. Het skillshot-systeem beloont spelers voor het veroorzaken van chaos op de meest creatieve manier mogelijk. Hoe gekker de skillshot, hoe meer punten spelers verzamelen om hun personage te upgraden en wapens te ontgrendelen, wat hen vervolgens in staat stelt om nog creatievere moves en overdreven skillshots uit te voeren.

Bulletstorm speelt zich af in de 26e eeuw, waar de Confederatie van Planeten wordt beschermd door een geheime black-ops leger genaamd Dead Echo, onder bevel van generaal Sarrano. Een Dead Echo-team, geleid door Grayson Hunt (Steven Blum), dat de orders van Sarrano volgt om te assassiner wat ze geloven dat drugshandelaren en massamoordenaars zijn, doodt een man genaamd Bryce Novak, maar ontdekt al snel dat hij een burgerjournalist was, die andere burgerdoden veroorzaakt door Dead Echo had gedocumenteerd. Grayson en zijn team realiseren zich dat ze door Sarrano zijn bedrogen en gaan AWOL, waarbij ze ruimtepiraten worden die op de vlucht zijn voor Sarrano's troepen, nu verdergaand onder de naam Final Echo.

Tien jaar later probeert Grayson's team te ontsnappen van Sarrano's slagschip, de Ulysses, terwijl ze nabij de planeet Stygia zijn. Met de systemen van hun schip die falen, beveelt Grayson, in een dronken toestand, de bemanning om de Ulysses te rammen, in de hoop wraak te nemen op Sarrano. De schepen botsen, wat beide naar beneden dwingt en hen laat neerstorten op de oppervlakte van Stygia. Een van Grayson's mannen, Ishi Sato (Andrew Kishino), is kritiek gewond geraakt bij de crash en Grayson is gedwongen om een energiecel te vinden om de medische apparatuur van het schip aan te drijven. Op de planeet, een ooit populaire tropische resortbestemming, is de bevolking gemuteerd in wilde stammen en vleesetende planten. Grayson vecht zich een weg naar een van de ontsnappingscapsules van de Ulysses, waar een Final Echo-soldaat ten onder gaat aan een horde mutanten. Na de aanvallers te hebben afgehandeld, haalt Grayson de energiecel van de ontsnappingscapsule, evenals een "instinctleiband" die, wanneer gedragen, begint hem vreemde tactiele informatie te geven, zoals punten voor elke vijand die hij doodt.

Grayson keert terug met de cel, en terwijl Ishi onder narcose is, vallen de mutanten hun schip aan. De operatie wordt onderbroken door een explosie tijdens de strijd, waardoor Ishi een misvormde cyborg wordt. Grayson en Ishi, de enige overlevenden, besluiten samen te werken om van de planeet te komen, ondanks Ishi's afkeuring van Grayson's wraakzucht. De instinctleiband leidt Grayson naar een andere ontsnappingscapsule, waar ze Trishka (Jennifer Hale) vinden, een andere Final Echo-soldaat die ermee instemt om met Grayson en Ishi samen te werken, maar alleen nadat ze Sarrano hebben gered. Terwijl ze door de verwoeste stad vechten, legt Trishka uit dat Stygia door Final Echo is gebruikt als een soort oefenterrein, met de instinctleibanden die de soldaten dragen als een middel om degenen binnen de test te rangschikken; degenen die kills scoorden, zouden de enigen zijn die munitie en andere voorraden konden krijgen om te overleven. Wanneer Grayson ontdekt dat Trishka Novak's dochter was, vertelt hij haar dat Sarrano verantwoordelijk was voor de dood van haar vader, maar beweert dat hij niet weet wie hem daadwerkelijk heeft vermoord.

De drie maken hun weg naar de top van een wolkenkrabber waar Sarrano's capsule is geland. Trishka beschuldigt Sarrano van de dood van haar vader, maar hij schopt haar simpelweg van de rand van het gebouw. Sarrano waarschuwt Grayson en Ishi dan dat er een bewapende DNA-bom op de Ulysses is die al het leven op de planeet zal uitroeien, en dat ze deze moeten ontmantelen, aangezien zijn reddingsschip niet op tijd zal aankomen. Sarrano leidt hen door de ondergrondse gebieden van de stad, waarbij ze radioactief afval en een enorme gevangenis tegenkomen. Sarrano legt spottend uit dat de schilden die gebruikt werden om het oppervlak van de planeet te beschermen tegen de dodelijke elektrische stormen het afval creëerden, en op hun beurt de bevolking van het oppervlak begonnen te muteren; de veranderingen gebeurden te snel voor de meeste van de oppervlaktebevolking om te worden gered, en dus waren veel van de wilde mutanten die Grayson heeft bestreden meer onschuldige burgers. Grayson is furieus over deze onthulling, maar blijft Sarrano helpen om de resten van de Ulysses te bereiken. Aan boord bedriegt Sarrano Grayson en Ishi opnieuw, door hen daadwerkelijk de DNA-bom te laten activeren, terwijl zijn reddingsschip op tijd zal aankomen om hem te redden. Terwijl er brand uitbreekt aan boord van het neergestorte schip, worden de twee gered door Trishka, die de val overleefde door een stroomkabel te grijpen op haar weg naar beneden.

De drie racen naar de plek waar Sarrano's reddingsschip landt en weten aan boord te komen. Ze banen zich een weg door Sarrano's elite troepen en komen uiteindelijk alleen Sarrano tegenover te staan. Trishka eist te weten wie haar vader daadwerkelijk heeft vermoord, waarop Sarrano Grayson beschuldigt. In de verwarring neemt Sarrano de computersystemen van Ishi over, waardoor hij gedwongen wordt zijn vrienden tegen te werken. Grayson slaagt erin om Sarrano's controle over Ishi te doorbreken, en Ishi offert zichzelf op om te voorkomen dat Sarrano Grayson vermoordt. Grayson doorsteekt Sarrano dan aan de muur van een schip. Terwijl Grayson en Trishka zich hergroeperen, voert Sarrano een laatste daad uit, door Grayson, Trishka en verschillende van zijn mannen uit het schip terug op de planeet te ejecten. Met de DNA-bom die binnenkort zal ontploffen, racen Grayson en Trishka terug naar de Ulysses waar nog één ontsnappingscapsule niet gelanceerd is; ze kunnen aan boord gaan en ontsnappen naar een lage baan, buiten het bereik van de DNA-bom wanneer deze ontploft.