Сюжет Black Mesa почти идентичен сюжетной линии Half-Life, в которую можно играть через главу «Lambda Core». Как и в оригинальной игре, игрок управляет Гордоном Фрименом, ученым, работающим в Исследовательском центре Черной Мезы. Ему поручено поместить образец странного материала в электромагнитный прибор, используя для этого костюм для работы в опасных условиях Mark IV. Однако образец материала вызывает «резонансный каскад», разрушая объект и создавая межпространственный разрыв с инопланетным измерением под названием Xen, принося его инопланетные существа на Землю.
Фримен выживает, находит других выживших и пробирается на поверхность под защитой своего защитного костюма, чтобы получить помощь. Однако, достигнув поверхности, он обнаруживает, что объект очищается от любого живого существа - человеческого или инопланетного - вооруженными силами. По мнению других ученых, Фриман считает, что единственный способ остановить вторжение инопланетян - это перейти к Зену и уничтожить сущность, удерживающую портал в открытом состоянии.
