Bulletstorm traz um novo furor à ação de tiro em primeira pessoa graças à sua jogabilidade característica de "matar com habilidade". O jogo conta a história de uma confederação futurista protegida por um bando de elite de mercenários: Dead Echo. Quando os membros da Dead Echo, Grayson Hunt e Ishi Sato, descobrem que têm trabalhado para o lado errado, são traídos pelo seu comandante e exilados para os confins da galáxia. In Bulletstorm, Grayson and Ishi find themselves surrounded by hordes of mutants and flesh eating gangs in an abandoned paradise. They have two objectives: get off the planet alive, and exact revenge on the man who sent them there. Os jogadores assumem o papel de Grayson Hunt completo com um arsenal de movimentos de combate exagerados e armas escandalosamente grandes. A variedade de "skillshots" distintos do Bulletstorm produz níveis sem precedentes de jogabilidade frenética e satisfação indutora de gritos. O sistema skillshot recompensa os jogadores por incitar o caos da maneira mais criativa possível. Quanto mais insano o skillhot, mais pontos os jogadores coletam para atualizar seu personagem e desbloquear armas, o que lhes permite executar movimentos ainda mais criativos e skillshots exagerados.

Bulletstorm ocorre no século 26, onde a Confederação dos Planetas é protegida por um exército secreto chamado Dead Echo, comandado pelo General Sarrano. Uma equipe da Dead Echo, liderada por Grayson Hunt (Steven Blum), tendo seguido as ordens de Sarrano em assassinar o que eles acreditam ser traficantes de drogas e assassinos em massa, matou um homem conhecido como Bryce Novak, mas logo descobriu que ele era um repórter civil, tendo documentado outras mortes de civis causadas por Eco Morto. Grayson e sua equipe percebem que foram enganados por Sarrano e desaparecem, tornando-se piratas espaciais fugindo das forças de Sarrano, agora com o nome de Eco Final. 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. Os navios colidem, forçando ambos para baixo e fazendo com que eles caiam na superfície de Stygia. Um dos homens de Grayson, Ishi Sato (Andrew Kishino), está gravemente ferido no acidente e Grayson é forçado a encontrar uma célula de energia para conduzir o equipamento médico da nave. No planeta, um antigo destino popular de resorts tropicais, a população se transformou em tribos selvagens e plantas carnívoras. Grayson luta através de uma das cápsulas de fuga de Ulisses, onde um soldado do Eco Final sucumbe a uma horda de mutantes. Depois de despachar os atacantes, Grayson recupera a célula de energia da cápsula de fuga, bem como uma "coleira instintiva" que, quando usada, começa a fornecer-lhe informações táteis estranhas, como pontos para cada inimigo que ele mata. Grayson retorna com a célula e, enquanto Ishi está em operação, os mutantes atacam sua nave. A operação é interrompida por uma explosão durante a batalha, deixando Ishi um ciborgue desfigurado. 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. A coleira instintiva leva Grayson a outra cápsula de fuga, onde encontram Trishka (Jennifer Hale), outra soldado da Eco Final que concorda em trabalhar com Grayson e Ishi, mas apenas depois de resgatarem 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 suprimentos para sobreviver. Quando Grayson descobre que Trishka era filha de Novak, ele diz a ela que Sarrano foi responsável pela morte de seu pai, mas afirma que não sabe quem realmente o matou. Os três chegam ao topo de um arranha-céu onde a cápsula de Sarrano pousou. Trishka acusa Sarrano da morte de seu pai, mas ele simplesmente a chuta para fora do prédio. 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 os conduz pelas áreas subterrâneas da cidade, encontrando resíduos radioativos e uma prisão gigante. Sarrano explica que os escudos usados para proteger a superfície do planeta de suas tempestades elétricas mortais criaram os resíduos e, por sua vez, começaram a mutar a população da superfície; as mudanças ocorreram muito rapidamente para que a maioria da população da superfície fosse resgatada e, portanto, muitos dos mutantes ferozes que Grayson tem lutado eram mais civis inocentes. Grayson está furioso com essa revelação, mas continua a ajudar Sarrano a alcançar os restos mortais dos Ulisses. A bordo, Sarrano engana Grayson e Ishi mais uma vez, fazendo com que eles armem a bomba de DNA, enquanto sua nave de resgate chegará a tempo de salvá-lo. Quando o fogo irrompe a bordo do navio caído, os dois são salvos por Trishka, que sobreviveu à queda pegando uma linha de energia em seu caminho para baixo. 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. Enquanto Grayson e Trishka se reúnem, Sarrano realiza um ato final, expulsando Grayson, Trishka e vários de seus homens da nave de volta ao planeta. 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.