Главная героиня приходит в себя в капсуле внутри камеры отдыха со стеклянными прозрачными стенами. В камере, помимо капсулы, имеется столик, на котором стоит радиоприёмник (играет инструментальная версия финальной песни игры Still Alive) и лежит планшет с информацией об испытаниях, а также имеется унитаз. Видимо, камера предполагает длительное проживание в ней. За пределами камеры видны белые стены, полы и потолки коридора вокруг неё, а в одной из стен проделано окно с матовым стеклом в комнату наблюдения. Выход из камеры перекрывает большая, гладкая стена. Почти сразу после пробуждения девушки раздаётся механический женский голос, который приветствует героиню в «Центре развития» при Лаборатории исследования природы порталов (Aperture Science).
После вступительной речи голос предупреждает о мерах безопасности и открывает на стене портальный проход. Передвигаясь по коридорам комплекса, Челл изучает свойства порталов. Изначально у неё нет ничего: порталы генерируются самостоятельно. Однако спустя несколько комнат в руки героини попадает ручное портальное устройство Aperture Science, способное создавать один голубой портал, а в дальнейшем, кроме того, ещё и второй, оранжевый. В процессе прохождения комнат создаётся впечатление, что девушка — как мышь в лабиринте, созданном некими учёными. По ходу эксперимента голос ГЛэДОС сопровождает персонажа. Фразы, произносимые компьютером, во многом смешны для человеческого восприятия, они подчас наивны и глупы; например, на одном из этапов голос старательно, но неправдоподобно имитирует «состояние полной депрессии и отчаяния». Все комнаты испытательного лабиринта сходны по оформлению: везде белые и стальные поверхности, повсеместно на стенах укреплены камеры наблюдения. В стенах часто встречаются окна с матовыми стёклами в комнаты наблюдения, однако за стеклом никого не видно, равно как не видно и мира вне стен Лаборатории.
Ближе к финальным тестам, в одной из гладких и чистых комнат камеры 16 девушка находит проход за стену в небольшое помещение с трубами, решётками, заводской подсобной обстановкой. Помещение выполнено в оранжевых тонах, в отличие от бело-голубого оформления тестовых комнат; кроме того, в нём находится радиоприёмник, аналогичный виденному вначале, с той же самой мелодией. Компьютерный голос никак не реагирует на находку героини. Позже девушка находит ещё одну подобную комнату, но бо́льших размеров. Стены этих комнат исписаны чем-то наподобие крови, в некоторых есть фотографии и другие бумаги. Кровавые надписи разнообразны, однако в большом числе содержится фраза «Торт — ложь» (англ. The cake is a lie). Эта фраза должна быть интересна в связи с тем, что женский голос ГЛэДОС периодически обещает тортик и вечеринку в конце всех испытаний.

ГЛэДОС — суперкомпьютер, обладающий искусственным интеллектом и маниакальной любовью к тортам.
Наконец, приходит черёд последнего, девятнадцатого теста, в ходе которого голос особенно активно напоминает об обещанном торте. В самом конце коридора неожиданно оказывается пламя, к которому неумолимо приближается девушка — туда её движет платформа. В это время ГЛэДОС успокаивает Челл, говоря, что лабораторное оборудование выдерживает высокую температуру и не будет испорчено в то время, как она «торжественно обратится в пепел». Но героиня успевает спастись. ГЛэДОС, не ожидавшая такой расторопности, приказывает девушке остановиться, говорит, что пошутила и на самом деле пламя было последней частью испытания. Она просит положить портальное устройство и лечь рядом на живот — в позу ожидания распорядителя вечеринки, который якобы отведёт её на вечеринку. Беглянка не слушается и уже уверенно передвигается по подсобным помещениями, аналогичным уже виденным ею. Повсеместно в таких помещениях она видит кровавые символы, указывающие, куда идти (очевидно, она не первая совершает побег), и механический женский голос, доносящийся то глухо, то ясно из устройств, прикреплённых кое-где на стенах. В задворках тестового лабиринта девушка не находит ни одного человека и, в конце концов, достигает круглой комнаты с огромной механической конструкцией, свисающей с незримого потолка. Эта конструкция и разговаривала с героиней всю игру.
Машина выпускает в помещение нейротоксины, с помощью которых раньше убила ученых лаборатории. Этот же самый газ может убить девушку, если она не уничтожит машину в течение пяти ближайших минут. Спустив четыре мозговых центра компьютера, похожих на шары со светящимся глазом, в экстренный уничтожитель разумных особей (точно в таком же Челл уничтожила Куб-компаньон в одной из тестовых камер) героиня устраивает огромный взрыв. Перед своим уничтожением машина заявляет, что снаружи произошло нечто ужасное, и некая могущественная сила угрожает всему, и лишь она, машина, способна была защитить девушку от этой силы. ГЛэДОС уверяет, что разрушив её, героиня совершила непоправимое.
После взрыва Челл утягивает вверх, экран заливает белый свет. На последних кадрах показан мир вне Лаборатории, зелёные растения и КПП на въезде в «Aperture Science», засыпанный различными обломками. Затем кто-то с механическим звуком подходит сзади к Челл и мужским компьютеризированным голосом говорит: «Благодарим вас за принятие позы ожидания распорядителя вечеринки», после чего оттаскивает её с места (эта дополненная концовка была добавлена разработчиками перед анонсированием второй части игры).
После демонстрируется короткая заставка. Камера пролетает по техническим каналам Лаборатории, мимо различных труб и иных конструкций. В конце полёта зритель видит тёмную комнату, заставленную стеллажами, на которых лежат сферы, внешне схожие с мозговыми центрами ГЛэДОС. В центре комнаты стоит тортик со свечкой и Куб-компаньон. Ряд из сфер поочерёдно включается, опускается механическая рука и тушит свечу.
Начинаются титры, во время которых звучит финальная песня. В ней ГЛэДОС поёт о том, что она всё ещё жива и переживёт девушку-беглянку, несмотря на то, что та «разбила ей сердце на куски и бросила каждый кусочек в огонь».