Bulletstorm se passa no século 26, onde a Confederação dos Planetas é protegida por um exército secreto chamado Dead Echo, comandado pelo General Sarrano. Uma equipe Dead Echo, liderada por Grayson Hunt (Steven Blum), seguindo as ordens de Sarrano para assassinar o que eles acreditam ser traficantes de drogas e assassinos em massa, mata um homem conhecido como Bryce Novak, mas logo descobre que ele era um repórter civil, tendo documentado outras mortes de civis causadas por Dead Echo. 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 Final Echo.
Dez anos depois, a equipe de Grayson tenta fugir do cruzador de batalha de Sarrano, o Ulysses, enquanto está perto do planeta Stygia. Com os sistemas de sua nave falhando, Grayson, em um estupor de embriaguez, ordena que a tripulação bata no Ulysses, na esperança de se vingar de Sarraro. As naves colidem, forçando ambas para baixo e fazendo com que caiam na superfície da Stygia. Um dos homens de Grayson, Ishi Sato (Andrew Kishino), fica 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 resort tropical, a população se transformou em tribos selvagens e plantas carnívoras. Grayson luta até uma das cápsulas de fuga de Ulysses, onde um soldado Final Echo 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 de instinto" que, quando usada, começa a fornecer a ele 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 como um ciborgue desfigurado. Grayson e Ishi, os únicos sobreviventes, decidem trabalhar juntos para sair do planeta, apesar da desaprovação de Ishi pela sede de vingança de Grayson. A coleira do instinto leva Grayson a outra cápsula de fuga, onde encontram Trishka (Jennifer Hale), outra soldado Final Echo que concorda em trabalhar com Grayson e Ishi, mas somente depois de resgatar Sarrano. Enquanto eles lutam pela cidade devastada, Trishka explica que Stygia foi usado por Final Echo como uma espécie de campo de treinamento, com as coleiras instintivas que os soldados usam como meio de classificar aqueles dentro do teste; aqueles que mataram seriam os únicos que conseguiriam munição e outros suprimentos para sobreviver. Quando Grayson descobre que Trishka era filha de Novak, ele diz a ela que Sarrano foi o responsável pela morte de seu pai, mas afirma não saber quem realmente o matou.
Os três seguem para o topo de um arranha-céu onde o casulo de Sarrano pousou. Trishka acusa Sarrano da morte de seu pai, mas ele simplesmente a chuta para fora do prédio. Sarrano então avisa Grayson e Ishi que há uma bomba de DNA armada no Ulysses que vai acabar com toda a vida no planeta, e que eles devem ir e desarmá-la, pois sua nave de resgate não chegará a tempo. Sarrano os conduz pelas áreas subterrâneas da cidade, encontrando lixo radioativo e uma prisão gigante. Sarrano maliciosamente explica que os escudos usados para proteger a superfície do planeta de suas tempestades elétricas mortais criaram o lixo e, por sua vez, começaram a transformar a população da superfície; as mudanças ocorreram muito rapidamente para que a maior parte da população da superfície fosse resgatada e, portanto, muitos dos mutantes selvagens contra os quais Grayson estava lutando eram mais civis inocentes. Grayson fica furioso com a revelação, mas continua a ajudar Sarrano a alcançar os restos mortais de Ulisses. A bordo, Sarrano engana Grayson e Ishi mais uma vez, fazendo-os armar a bomba de DNA, enquanto sua nave de resgate chegará a tempo de salvá-lo. Quando o fogo começa a bordo do navio caído, os dois são salvos por Trishka, que sobreviveu à queda ao se prender em um cabo de força durante a queda.
Os três correm para onde o navio de resgate de Sarrano está pousando e conseguem embarcar. Eles abrem caminho pelas tropas de elite de Sarrano e, eventualmente, enfrentam Sarrano sozinhos. Trishka exige saber quem realmente matou seu pai, ao que Sarrano indicia Grayson. Na confusão, Sarrano sequestra os sistemas de computador de Ishi, forçando-o a trair seus amigos. Grayson consegue quebrar o controle de Sarrano sobre Ishi, e Ishi se sacrifica para evitar que Sarrano mate Grayson. Grayson então empala Sarrano na parede de um navio. Enquanto Grayson e Trishka se reagrupam, Sarrano realiza um ato final, expulsando Grayson, Trishka e vários de seus homens da nave de volta ao planeta. Com a bomba de DNA prestes a detonar, Grayson e Trishka correm de volta para o Ulysses, onde uma cápsula de fuga permanece não lançada; eles são capazes de embarcar e escapar em órbita baixa, fora do alcance da bomba de DNA quando ela explode.
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 Grayson Hunt e Ishi Sato, membros do Dead Echo, descobrem que estão trabalhando para o lado errado, são traídos por seu comandante e exilados nos confins da galáxia. Em Bulletstorm, Grayson e Ishi se encontram cercados por hordas de mutantes e gangues comedoras de carne em um paraíso abandonado. Eles têm dois objetivos: sair vivos do planeta e se vingar do homem que os enviou para lá.
Os jogadores assumem o papel de Grayson Hunt completo com um arsenal de movimentos de combate exagerados e armas escandalosamente grandes. A variedade de ''tiros de habilidade'' 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 forma mais criativa possível. Quanto mais insano o tiro de habilidade, mais pontos os jogadores coletam para atualizar seu personagem e desbloquear armas, o que permite que eles executem movimentos ainda mais criativos e tiros de habilidade exagerados.