Действие игры переносится в 1952 год. В лабораторию исследования природы порталов «Aperture Laboratories» прибывает олимпийская спортсменка по имени Мел, чтобы провести испытания новой капсулы быстрого отдыха. Однако эксперимент прошел неудачно, в результате сбоя Мел провела в стадии глубокого сна большой промежуток времени. Далее, сюжет игры начинает развиваться между событиями первой и второй части серии «Portal», Мел покидает капсулу и получает прототип переносного портального устройства, чтобы покинуть полуразрушенный лабораторный комплекс и найти информацию о случившейся аварии. С точки зрения построения игрового процесса, «Portal Stories» новшеств не предлагает, в основе геймплея также лежит использование портального устройства и различных предметов (прыжковые платформы, гель и т.д.) для прохождения тестовых камер.

Стелс-экшен, в котором игроку предстоит играть за вора Гаррета, который охотно грабит обитателей индустриального города, охваченного чумой. Как и в предыдущих частях серии, герою нужно будет действовать скрытно, но спрятаться от охранников будет труднее — они серьезно поумнеют и научатся тщательно обыскивать даже самые укромные уголки. Из оружия вор получит лишь дубинку и лук с различными видами стрел — дымовыми, зажигательными и т.д. В арсенале героя появятся отмычки и крюк. Незаменимой помощницей Гаррета станет новая система Focus. Она позволит замедлять время в процессе кражи предметов из чужих карманов и будет подсвечивать объекты, с которыми сможет взаимодействовать герой.

Вы - главный герой этой истории. О себе вы знаете не так уж и много: вы - доктор, копающийся в воспоминаниях некой женщины по имени Джин. Почему вы этим занимаетесь, кто такая Джин - это для вас загадка, решить которую можно лишь разобравшись с воспоминаниями вашей подопытной, набор которых, кстати, от игры к игре будет меняться. Технически, вас ждёт нелинейный геймплей с механическими и криптографическими головоломками, необязательные задания и секреты, а также несколько возможных концовок. Самое сложное происходит в голове — поток имен, событий и слов кажется совершенно несвязным, слишком абстрактным для однозначной интерпретации

Вы играете роль детектива, умеющего визуализировать сцены убийств благодаря своим экстрасенсорным способностям. На сей раз ему предстоит расследовать дело о похищенном мальчике, надеясь спасти его до того, как будет уже слишком поздно. Поиски привели нашего героя к живописной горной местности, на просторах которой ему довелось обнаружить изуродованное тело одного из похитителей. Используя свои умения, а также набор современных гаджетов, вы узнаете, почему здешние края усеяны трупами, что за древняя сила здесь преобладает и какова судьба похищенного мальчика.