Предисловие
После того, как «Выжигатель мозгов» был отключен и проход к центру Зоны оказался открыт, правительство решает провести крупномасштабную военную операцию под кодовым названием «Фарватер». Целью операции является взятие ЧАЭС под контроль военных. Первая группа военных была направлена для воздушной разведки территории и составления детальных планов расположения аномальных полей. Это должно было позволить впоследствии продвигаться по безопасным маршрутам основным группам военных.

Однако план проваливается — большинство вертолётов разведки оказывается уничтожено. Для того, чтобы узнать причину такого фиаско, Служба безопасности Украины направляет своего агента, бывшего сталкера, майора Александра Дегтярёва в центр Зоны. Первостепенной задачей Дегтярёва является поиск пяти пропавших вертолётов, в каждом из которых содержится часть некой важной информации.

После отключения «Выжигателя мозгов» группы сталкеров начали массово подходить к центру Зоны. На местности под названием «Затон» и в окрестностях завода «Юпитер» начали образовываться отряды вольных сталкеров и бандитов. Из группировок «Долг» и «Свобода» также пришли на эти земли самые отчаянные их представители, война между ними продолжилась.

Действие игры
Каждый вертолет был уничтожен по-разному. Две машины были поражены электроразрядами. На одном из вертолетов были обнаружены записи о том, что есть 3 точки эвакуации военных. Майор решает проверить их все. Первая точка указывала на Скадовск — лагерь вольных сталкеров, не шибко жалующих военных. Вторая точка (ЗРК «Волхов» в окрестностях «Юпитера») кишела зомбированными, третья находилась в Припяти. Как пройти в Припять, никто не знал, однако были легенды о некоем подземном путепроводе, который ведёт с завода «Юпитер» в Припять. Майор отправился проверить легенду и наткнулся на вход в этот путепровод. Однако, шлюз заблокирован, а судя по записям, он наполнен ядовитым газом. Посовещавшись с Азотом (местным техником) было решено собрать отряд для похода в Припять, так как туннель, судя по всему, был наполнен мутантами. Также для всех нужны были костюмы с замкнутой системой дыхания. Майор решил эти проблемы.

После того, как отряд вышел из туннеля, он сразу же наткнулся на патруль военных. Майор, решив, что поддерживать сталкерскую легенду более не имеет смысла, предъявляет патрулю документы агента СБУ. Не всем из его отряда такая новость пришлась по душе. Зулус, шедший с майором, говорит, что с военными дела не имеет и уходит из отряда. Позднее его можно встретить, бродя по Припяти. Далее, патруль сопроводил майора и сталкеров на укрепленный пункт, где держались остатки военных из группы «Скат». Командир военных — полковник Ковальский — описал печальную ситуацию: операция «Фарватер» провалилась, связи с Центром нет, личный состав каждый день несет потери в столкновениях с мутантами, аномалиями и фанатиками группировки «Монолит». Необходима срочная эвакуация, однако, как в свою очередь поведал майор Дегтярёв, эвакуации не будет, пока он доподлинно не установит причины падений вертолётов. Единственная доступная версия — вертолет были сбиты из неизвестного оружия огромной пробивной силы. Полковник Ковальский доложил, что его разведчики выследили группу монолитовцев, чей командир-проповедник владеет подходящим по описанию оружием. Оружие удалось захватить, но во время боя оно было серьезно повреждено. Полковник Ковальский попросил Дегтярёва напрячь связи среди вольных сталкеров и найти техника, который сможет починить оружие. Таким техником оказался Кардан с Затона. Неизвестное оружие оказалось гаусс-пушкой. Причина крушения части вертолетов была установлена. Однако даже сверхускоренная пуля не могла выжечь электронику остальных вертолетов. Также, в процессе расследования происхождения неизвестного оружия, к Дегтярёву в руки попала ключ-карта от секретной лаборатории в Припяти — Х8. Майор отправился в лабораторию и собрал все сведения и документы, которые нашел. Из них выяснилось, что в лаборатории проводились разработки «Выжигателя мозгов». Также из документов выяснилось, что разработку излучателя вели основатели группы «Чистое небо».

Выбравшись из лаборатории Х8, майор получил сообщение от полковника Ковальского — радист военных нашел причину отсутствия связи с Центром. Ею оказались заградительные радиопомехи от неизвестного излучателя. Уничтожив излучатель — один из алтарей с пси-антенной группировки Монолит — майор прервал затянувшееся радиомолчание. Вскоре пришло еще одно сообщение — недалеко от базы военных был обнаружен странный сигнал, источник которого находился где-то под землей. Выяснилось, что источником оказался Стрелок — сталкер, герой первой части. Он сказал, что был на ЧАЭС и может многое рассказать военным. Также Стрелок открыл причину, по которой вертолёты разбились — после выброса аномалии появляются в новых местах, и карты, по которым летели военные, просто устарели.

Получив сведения о причинах провала операции «Фарватер» и внеся коррективы благодаря сведениям Стрелка, Центр отправляет к Припяти вертолеты.

Концовка
Вертолёты успешно прилетают. Однако, военных и Стрелка встречает большой отряд монолитовцев. Далее ход сюжета зависит от игрока. Дегтярёв может улететь из Зоны на вертолёте, либо остаться (продолжить игру в режиме «Freeplay»), воспользовавшись впоследствии услугами Лоцмана или Гарика, чтобы уйти из Зоны.

Игра, как и предыдущие игры серии, имеет несколько вариантов концовок. Игроку рассказывается судьба большинства ключевых персонажей, а также о дальнейшей жизни на посещенных локациях. Каждому персонажу или локации посвящено несколько секунд из финального ролика, содержание зависит от прохождения игры тем или иным способом:
Дальнейшая жизнь на Затоне. Возможные варианты: бандиты устанавливают свой порядок; сталкеры дают отпор бандитам; сохраняется равновесие. Зависит от прохождения квеста по добыче артефакта «Компас». Его можно отдать Султану (будет власть бандитов); можно отдать Бороде (сталкеры возьмут верх); можно оставить себе или вообще не брать задание (сохранится равновесие).
Судьба лагеря на «Скадовске». Возможные варианты: судно наводняют кровососы из логова, либо судно остается прибежищем для сталкеров. Зависит от прохождения квеста по уничтожению логова кровососов.
Война между «Долгом» и «Свободой» на Янове. Возможные варианты: «Свобода» уничтожает отряд «Долга»; «Долг» уничтожает отряд «Свободы»; сохраняется равновесие. Зависит от того, какой статус в процессе игры получит главный герой. Варианты: «Друг Долга»; «Друг Свободы»; остаться сторонником равновесия.
Исследования профессоров Германа и Озерского. Экспедиция может увенчаться или не увенчаться успехом. Зависит от выполнения заданий ученых. В случае, если хотя бы одно задание не будет получено или выполнено, в концовке будет сообщено о завершении исследований.
Жизнь в Припяти. Варианты: сталкеры считают город опасным и предпочитают туда не заходить; сталкеры начинают изучение города. Зависит от того, сколько военных Дегтярев сумеет вывести на эвакуацию. Для того, чтобы в концовке сообщалось о начале массовых походов на Припять, необходимо, чтобы на вертолеты смогло погрузиться не менее 50 % бойцов группы «Скат», которые имелись в распоряжении полковника Ковальского на момент прибытия Дегтярева в Припять, включая самого полковника. Выполнение данного условия вызывает некоторые трудности, поскольку при выполнении квеста «Захват неизвестного оружия» обычно погибают все четыре члена штурмовой группы капитана Тарасова. При самом удачном раскладе можно отделаться только гибелью снайпера сержанта Морозова (его первым выстрелом убивает монолитовец-«проповедник»). Интересный момент: до тех пор, пока «проповедник» не убьет снайпера и не начнет читать своим бойцам проповедь, он является неуязвимым, таким образом, спасти сержанта невозможно.
Легенда об Оазисе. Варианты: рассказывается, что Оазис перестал быть легендой, либо рассказ об Оазисе пропускается вообще. Зависит от нахождения Оазиса Дегтяревым самостоятельно, либо по заданию ученых.
Наемники. Варианты: рассказывается, что отряды наемников действуют в Зоне по заданию неизвестного заказчика, либо ролик пропускается. Чтобы ролик показался, необходимо выполнить квест Гарика по устранению наемника и представителя заказчика в общежитии в Припяти.
Клондайк артефактов на Янове. Варианты: рассказывается, что местность около станции безопасна и изобилует артефактами, либо рассказывается, что местность стала чрезвычайно опасной, кишит мутантами и здесь гибнет много сталкеров. Зависит от выполнения квестов Зверобоя. Будет рассказано про Клондайк артефактов, если будут выполнены все три квеста Зверобоя (уничтожение кровосовов, уничтожение бюреров, унитожение химеры).
Судьба Зулуса. Варианты: генерал Воронин посмертно награждает его орденом «Серебряный щит», либо Зулус возвращается на базу группировки на завод «Росток». Зависит от гибели Зулуса до конца игры.
Судьба Вано. Варианты: Вано не возвращается из похода в Припять и сталкеры иногда вспоминают его добрым словом, либо он подается к «Свободе» на Армейские склады. Зависит от гибели Вано до конца игры.
Судьба Бродяги. Варианты: рассказывается о действующей в Зоне группе неизвестных сталкеров, либо сообщается о том, что судьба Бродяги никому не известна, либо ролик пропускается. Зависит от выполнения квеста «Помочь монолитовцам» и от гибели Бродяги до конца игры.
Судьба Соколова. Варианты: рассказывается о его гибели или о том, что он перешел в гражданскую авиацию. Зависит от того, сумеет ли Дегтярев обеспечить вылет Соколова на вертолетах эвакуации.
Судьба Сыча. Варианты: ролик не показывается, либо сообщается что Сыч стал торговцем информацией.
Судьба Ноя. Варианты: Ной вместе со своей псевдособакой и группой сталкеров отбивает нападение снорков на баржу, либо ролик пропускается. Зависит от выживания Ноя до конца игры. Ной открывает огонь по игроку, если спросить у него про артефакт «Компас» больше двух раз или убить его собаку. Тогда ничего не остается, как убить его самого.
Судьба Кардана. Варианты: он отправляется на поиски друзей, возвращается израненный на Янов, затем уходит из Зоны. Либо он узнает о гибели друзей, решает завязать со сталкерством и отправляется на Янов, где присоединяется к технику Азоту. Зависит от того, найдет ли Дегтярев Шутника и Баржу.
Судьба Стрелка. Варианты: создается НИИ Чернобыльской аномальной зоны и Стрелок занимает в нем место главного научного консультанта, либо сообщается, что он навсегда остался в Припяти и его знания о Зоне были утрачены. Зависит от того, сможет ли Дегтярев обеспечить Стрелку эвакуацию.
Судьба Ковальского. Варианты: полковник погибает в Припяти, либо возвращается в штаб и после долгих разбирательств уходит в отставку. Как и в случае со Стрелком, для удачного исхода полковник не должен погибнуть до отлета вертолетов.