No jogo, o jogador controla as ações da advogada americana Kate Walker, que é enviada a um remoto vilarejo francês para finalizar a aquisição de uma fábrica de brinquedos. Uma vez na aldeia, Kate descobre que a dona da fábrica acabou de morrer e ela tem um irmão que deve ser contatado para que a aquisição prossiga. Sua missão a leva pela Europa Central e Oriental, o que gradualmente a leva a questionar sua própria vida. O titular Syberia é uma ilha mítica na qual os mamutes vivem.
O jogo começa com Kate chegando na fictícia vila francesa de Valadilène e testemunhando o funeral de Anna Voralberg, dona de uma fábrica familiar de brinquedos de autômatos de mola. Quando Kate visita o tabelião da vila para finalizar o negócio, o tabelião conta a ela que pouco antes da morte de Anna, a velha senhora revelou que seu irmão não está morto e enterrado, mas vivo em algum lugar do Nordeste. Agora que sua irmã está morta, Hans Voralberg se torna o novo proprietário da fábrica, que não pode ser vendida sem sua aprovação. Kate não tem escolha: se ela quiser que a aquisição seja bem-sucedida, ela terá que encontrar Hans. A pesquisa de Kate revela que Hans foi ferido em sua tentativa de recuperar uma boneca pré-histórica de um homem montado em um mamute. Isso atrapalhou seu desenvolvimento, deixando-o com deficiência mental, e o único objetivo de Hans passou a ser encontrar mamutes para montar como a boneca retrata.
Para encontrar Hans, Kate deve pegar seu trem: uma locomotiva mecânica construída por sua irmã a pedido dele. É administrado por Oscar, um homem animatrônico que gosta de protocolo a quem Kate deve satisfazer para partir. Ela é forçada a mergulhar no passado de Hans para recuperar dois itens de valor para ele: a boneca gigantesca e uma caixa de música mecânica.
Enquanto ela segue o caminho de Hans, Kate segue para Barrockstadt, uma universidade falida cuja estação de trem funciona como um jardim botânico. O trem para antes do mecanismo de corda, então Kate deve negociar com um casal próximo com uma barcaça. Eles insistem em receber $ 100 por sua ajuda, então Kate tem que consertar o coreto quebrado da universidade para obter a ajuda do teimoso conselho de diretores da universidade. Ao longo do caminho, ela aprende sobre a lenda de Syberia e os costumes do misterioso povo pré-histórico Youkol que viveu com mamutes e conseguiu domesticá-los. Antes que ela possa deixar Barrockstadt completamente, ela deve passar pela grande parede que impede a saída de seu trem.
A próxima parada é Komkolzgrad, um empoeirado complexo de mineração industrial da era comunista com dois autômatos metálicos gigantes com vista para os trilhos. A casa é comandada pelo excêntrico e meio maluco Serguei Borodine, que rouba as mãos de Oscar para fazer funcionar seu organista autômato. Ele pretende construir o maior palco possível para Helena Romanski, uma cantora de ópera decadente por quem é obcecado. Kate não tem escolha a não ser buscá-la em um spa próximo em Aralbad em seu nome. Serguei direciona Kate ao cosmódromo adjacente para transporte.
No cosmódromo, Kate conhece o ex-piloto de testes Boris, um bêbado que sonha em voar para o espaço em uma "asa voadora" inventada por Hans. Depois de ficar sóbrio, ele ensina Kate a operar uma velha aeronave em troca de sua ajuda para tornar a asa voadora funcional. Ele também avisa Kate para não confiar em Serguei. Assim que Boris é lançado, ela usa seu conselho para lançar a aeronave e parte para Aralbad.
No spa Aralbad, Kate conhece Helena após passar pelo gerente. A idosa acredita que está velha demais para cantar, pois perdeu sua voz lendária, que poderia quebrar vidros. Com um coquetel especial preparado no bar e uma taça de vinho, Kate convence Helena de que ela ainda sabe cantar. Helena concorda em ir com Kate.
A apresentação em Komkolzgrad não sai como planejado: por mais bonita que seja a voz de Helena (ela canta "Dark Eyes"), isso não impede Serguei de prendê-la, pois ele quer mantê-la ao seu lado como sua cantora de ópera pessoal . Kate consegue libertar Helena e retomar as mãos de Oscar, mas Serguei não está disposto a desistir sem lutar, usando os trabalhadores-autómatos para bloquear o comboio. Alguma dinamite sobressalente despacha esse problema e Kate traz Helena de volta para Aralbad. Surpreendentemente, ninguém menos que Hans Voralberg está esperando lá no spa, encantado por Kate ter trazido seu trem e Oscar para ele. Hans mostra pouca preocupação com a morte de sua irmã e assina os papéis de liberação da fábrica sem nem mesmo lê-los. Ele se oferece para levar Kate junto, mas ela inicialmente se recusa. No entanto, quando ela está prestes a embarcar em um avião para voar de volta para Nova York, ela muda de ideia e embarca no trem no último segundo, abandonando seu emprego e seu noivo infiel em casa para ajudar um velho a realizar seu sonho.
Junte-se a Kate Walker enquanto ela viaja para locais remotos e períodos de tempo nesta viagem atemporal para descobrir seu verdadeiro destino.