Dark Sector coloca os jogadores no papel de Hayden Tenno, um agente secreto enviado para uma perigosa missão em Leiria, uma cidade da Europa Oriental à beira da ruína, que esconde um segredo mortal da Guerra Fria. No meio desta missão, Hayden é atacado por um inimigo desconhecido e infectado pelo vírus Technocyte, uma arma biológica brutal que transforma suas vítimas em máquinas mortíferas impiedosas.
Por todo o decorrer do jogo, os jogadores irão testemunhar a transformação de Hayden em algo diferente do que ele era conforme luta contra o vírus Technocyte tomando controle de seu corpo e os efeitos que surgem em sua personalidade. Hayden desenvolverá poderes e se tornará mais poderoso com o passar do jogo.