A sequência introdutória apresenta o jogador ao pai de seu personagem, James, um médico e cientista no Vault 101. James frequentemente faz comentários sobre a falecida mãe do personagem do jogador, Catherine, e sua passagem bíblica favorita, Apocalipse 21:6, que fala das "águas do vida".
A missão principal começa depois que o jogador é forçado a fugir do Vault 101 quando James deixa o vault, jogando-o na anarquia e fazendo com que o paranóico Supervisor envie sua força de segurança atrás do jogador. A busca por James leva o personagem em uma jornada por Wasteland, primeiro para a cidade vizinha de Megaton, batizada em homenagem à bomba atômica não detonada no centro da cidade, depois para a estação de rádio Galaxy News, cujo entusiasmado DJ Three Dog dá ao jogador a apelido de "The Lone Wanderer". O jogador viaja para Rivet City, um porta-aviões abandonado que agora serve como um assentamento humano fortificado. Aqui o jogador conhece o Doutor Li, um cientista que trabalhou ao lado do pai do jogador. O Doutor Li informa o jogador sobre o Projeto Pureza, um plano concebido por Catherine e James para purificar toda a água da Tidal Basin e, eventualmente, todo o rio Potomac com um purificador de água gigante construído no Jefferson Memorial. No entanto, atrasos contínuos e a morte de Catherine durante o parto acabaram com o projeto, e James pegou o personagem do jogador como um recém-nascido para criá-los na segurança do Vault 101.
Depois de investigar o Jefferson Memorial, o Lone Wanderer rastreia James até o Vault 112 e o liberta de um programa de realidade virtual dirigido pelo sádico superintendente do Vault, Dr. Braun. James e o jogador retornam a Rivet City, e James revela que procurou Braun para obter informações sobre o Kit de Criação do Jardim do Éden (G.E.C.K.), um dispositivo que contém os componentes necessários para finalmente ativar o Projeto Pureza. James e o Doutor Li lideram uma equipe de cientistas de Rivet City ao memorial com a intenção de reiniciar o projeto, mas o memorial é invadido pelo Enclave, uma poderosa organização militar formada pelos remanescentes do governo pré-guerra dos Estados Unidos. James inunda a sala de controle do projeto com radiação para impedir que o líder militar do Enclave, Coronel Augustus Autumn, assuma o controle dele, matando-se (mas Autumn sobrevive), suas últimas palavras pedindo que seu filho corra. O Lone Wanderer e o Dr. Li fogem para as ruínas do Pentágono, agora uma base para a Irmandade de Aço e agora conhecida como a Cidadela.
Com o Project Purity ainda inoperável, mesmo com o Enclave ocupando o local, o jogador viaja para o Vault 87 para encontrar um G.E.C.K. e terminar o trabalho de James. O jogador descobre que o Vault é um local de teste para o FEV (Forced Evolutionary Virus) e a fonte dos Super Mutantes na Capital Wasteland. Depois que o jogador adquire o G.E.C.K., o Wanderer é emboscado pelo Enclave e capturado.
Na base do Enclave em Raven Rock, o jogador é libertado de sua cela pelo líder do Enclave, o presidente John Henry Eden, que solicita uma audiência privada com eles. A caminho de seu escritório, no entanto, o Coronel Autumn desafia as ordens de Eden e assume o comando dos militares do Enclave, ordenando-lhes que matem o jogador. Lutando para chegar ao escritório de Eden, o jogador descobre que Eden é na verdade um supercomputador da série ZAX que assumiu o controle do Enclave após sua derrota em Fallout 2 na Costa Oeste trinta anos atrás. Eden deseja repetir o plano do então presidente Dick Richardson usando o Projeto Purity, infectando a água com uma cepa modificada de FEV que o tornará tóxico para qualquer vida mutante. Este plano matará a maior parte da vida no deserto, incluindo humanos, mas o Enclave, devido à sua "pureza" genética como resultado de seu isolamento, será imune e livre para assumir o controle da área. O Wanderer, fornecido com uma amostra do novo F.E.V., tem a opção de sair pacificamente ou convencer Eden a autodestruir toda a base. O Lone Wanderer escapa de Raven Rock e retorna à Cidadela.
Com o conhecimento que possuem, o G.E.C.K. e os meios para ativar o Projeto Pureza, o ataque da Irmandade ao Jefferson Memorial, liderado por um robô gigante chamado Liberty Prime. Na sala de controle do Projeto Pureza, o jogador enfrenta o Coronel Autumn e tem a opção de persuadi-lo a desistir ou matá-lo. Dr. Li informa ao jogador que o purificador está pronto para ser ativado, mas o código de ativação deve ser inserido manualmente, e também que a sala de controle está inundada com quantidades letais de radiação. O Lone Wanderer é forçado a escolher entre enviar Sarah Lyons da Irmandade para dentro do purificador extremamente irradiado ou entrar neles mesmos. Quem entra na câmara insere o código sugerido pelo jogo, que é 21:6, e morre com um pico de radiação.
Fallout 3 dos criadores do premiado Oblivion, apresentando um dos mundos de jogo mais realizados já criados. Crie qualquer tipo de personagem que você quiser e explore os resíduos abertos do pós-apocalíptico Washington D.C. Cada minuto é uma luta pela sobrevivência enquanto você encontra Super Mutantes, Ghouls, Raiders e outros perigos do Wasteland. Prepare-se para o futuro.
O terceiro jogo da série Fallout, Fallout 3 é um RPG de ação para um jogador (RPG) ambientado em uma Washington DC pós-apocalíptica. Combinando a terrível insanidade da era da Guerra Fria, a teoria da destruição mutuamente garantida que deu terrivelmente errado com a ingenuidade cafona da propaganda nuclear americana dos anos 1950, Fallout 3 satisfará tanto os jogadores familiarizados com os dois primeiros jogos populares de sua série quanto aqueles que estão chegando. a franquia pela primeira vez.