Aloy (Ashly Burch) est une orpheline, bannie dès sa naissance par la tribu des Noras et confiée aux soins de Rost (J. B. Blanc), un paria. En effet, les circonstances de sa naissance sont un grand secret pour les trois Hautes Matriarches de la tribu, l'une d'elles pense qu'elle est une bénédiction pour la tribu mais les deux autres craignent Aloy et la voient comme une malédiction, elle est donc considérée comme une paria. Enfant, elle tombe dans les ruines d'un laboratoire et y trouve un Focus, un dispositif miniature qui lui permet d'analyser son environnement et d'accéder au système des machines antiques de l'Âge de métal. Déterminée à connaître ses origines, le seul moyen que possède Aloy est de réussir la cérémonie de l’Éclosion, pouvant la libérer de son statut de paria et forcer les Matriarches à lui répondre. Rost accepte de la préparer, l’entraînant à la chasse, l'escalade et aux techniques de survie. Le jour de la cérémonie, elle rencontre deux Oseram, Erend (John Hopkins) et Olin (Chook Sibtain), et remarque que ce dernier possède un Focus. Pendant l’épreuve, Aloy surpasse les autres prétendants mais ils sont attaqués par des membres de l'Eclipse, une secte sanguinaire et xénophobe composée de membres de la tribu Carja. De nombreux participants à l’Éclosion sont tués mais Aloy parvient à éliminer de nombreux assaillants. Elle est surprise par Hélis (Crispin Freeman), le chef de l'Éclipse, qui la soulève d'une seule main et commence à l'égorger, mais Rost surgit et sauve Aloy. Il combat Hélis mais ce dernier parvient à le battre et à le blesser mortellement. Hélis laisse alors pour morts Aloy et Rost avant de faire exploser le lieu du combat. Rost sauve Aloy de l'explosion en la poussant dans le vide, mais l'explosion achève Rost. Aloy est retrouvée par les Noras et recueillie par la Matriarche Teersa (Nicolette McKenzie) qui l'amène dans la montagne sacrée, là où se trouve la Toute Mère, la déesse des Noras, afin d'y être soignée.

À son réveil, Aloy apprend que des guerriers Noras partis à la poursuite des tueurs ont été décimés par des machines corrompues sous le contrôle de l'Éclipse. Teersa lui révèle que sa naissance est un mystère car elle est apparue bébé devant la porte de la Toute-Mère, une porte scellée contrôlée par une intelligence artificielle. La porte ne reconnait pas Aloy mais, Teersa pensant que la déesse s'est adressée à Aloy, parvient à la faire nommer Chercheuse de la tribu Nora en obtenant l'accord d'une deuxième matriarche, et ce malgré les protestations de la troisième. Aloy est désormais libre de parcourir le monde pour découvrir la vérité sur les récents événements et mettre les tueurs de l'Éclosion hors d'état de nuire. Avant de partir, elle aide les guerriers Noras survivants à anéantir les derniers membres de l'Éclipse présents sur les terres Noras. Elle part sur les traces d'Olin, le membre de la tribu des Oseram possédant un Focus.

Elle le retrouve et celui-ci lui révèle que l'Éclipse a enlevé sa femme et son fils et menace de les tuer s'il ne travaille pas pour la secte en tant qu'éclaireur. Il dit aussi à Aloy que l'Éclipse vénère un démon du nom de Hadès (John Gonzales) et que, grâce au focus d'Olin, ce dernier a pu identifier Aloy comme une menace et a ordonné à Hélis de l'éliminer : elle est leur cible en raison de sa ressemblance inexpliquée avec le Dr Elisabeth Sobeck (Ashly Burch), grande figure scientifique de l'Ancien monde. Selon le choix du joueur, Aloy tuera ou épargnera Olin, et pourra libérer la famille de ce dernier.

En ce qui concerne l'Éclipse, elle est liée aux Carjas de l'Ombre, des rebelles souhaitant renverser le roi Carja actuel. Autrefois, les membres des Carjas de l'Ombre servaient un roi dément qui a sacrifié de nombreux innocents. Il lançait des raids militaires dévastateurs contre différentes tribus puis faisait de nombreux prisonniers qu'il livrait ensuite en pâture à des machines dans une grande arène. Ces sacrifices humains avaient lieu car le roi était convaincu qu'ainsi les machines seraient moins agressives envers les humains et il pensait aussi que le soleil (que les Carjas vénèrent comme un dieu) souhaitait que le sang soit versé. Mais l'un des fils du roi dément, un jeune homme nommé Avad (Josh Keaton), a fui son père et rallié des Carjas hostiles à son règne ainsi que des Oseram (une tribu de forgerons et de guerriers qui avait fait les frais des raids du roi dément) et a ainsi pu rassembler une armée qui a attaqué et pris le contrôle de la capitale Carja, Méridian. Avad a tué son père mais un certain nombre de ses partisans sont parvenus à fuir et se sont regroupés à Brunante, une ville située en plein désert montagneux, où ils ont fondé les Carjas de l'Ombre afin de préparer une offensive pour reprendre Méridian, tuer Avad et restaurer un régime fidèle aux idées et à la politique du roi dément.

Aloy retrouve les anciens sites de l'entreprise Faro Automated Solutions et au travers des enregistrements laissés par les survivants, reconstitue la fin de l'histoire de l’Ancien monde. Ainsi, près de 1000 ans auparavant, les robots militaires Faro, des drones automatisés pour des missions de pacification, sont devenus hors de contrôle et ont détruit la planète par leur faculté d'auto-réplication à partir de la biomasse. Le Dr Sobeck a alors lancé le projet Aube Zéro, un système automatisé de terraformation devant prendre le contrôle des machines et recréer la vie sur Terre. Aloy croise la route de Sylens (Lance Reddick), un homme très secret mais qui recherche également l'histoire des Anciens. Il l'envoie sous la Citadelle de Brunante, siège du pouvoir des Carjas de l'ombre, où se trouve la station renfermant le cœur du système Aube Zéro. Elle y retrouve un ensemble complexe de bases de données, d'usines et de centres de clonage géré par une intelligence artificielle appelée GAIA (Lesley Ewen). Une fois toute vie éteinte sur Terre, GAIA a lancé ses contre-mesures pour désactiver les robots Faro et utiliser des machines de sa fabrication pour recréer la biosphère à partir d'échantillons stockés d'ADN et permettre à une nouvelle humanité clonée de repeupler la Terre, fort des leçons tirées des erreurs passées. Parmi les sous-systèmes de GAIA, on compte HADES, chargé de lancer une opération d'extinction si jamais Aube Zéro n'offrait pas les conditions favorables à la vie humaine. Aloy met la main sur le registre d'accès du Dr Sobeck grâce auquel elle pourra ouvrir la porte de la Toute-Mère et découvrir la vérité sur sa naissance.

Après cela Aloy tombe dans une embuscade de l'Éclipse et Hélis, le chef de la secte, la capture et la condamne à mort. Il l'enferme dans une cage, et la nargue, prétendant avoir été choisi par le soleil pour être « l'instrument de la prophétie » et accomplir un grand destin qui passe par le fait qu'il jouera un rôle de premier plan dans la reprise de Méridian par les partisans du roi dément, ce qui selon lui restaurera « l'équilibre entre le soleil et l'ombre ». Il dit à Aloy qu'elle n'est qu'une sauvage, qu'il l'a vaincue et qu'il va la sacrifier au soleil en la jetant dans une arène, dans laquelle elle fera face à un Mastodonte corrompu. Il prétend aussi que telle était sa destinée et qu'il a ordonné une attaque contre les Noras afin de les exterminer. Aloy rétorque à Hélis qu'il n'est qu'un assassin et une marionnette dont Hadès tire les ficelles. Pour toute réponse il la jette dans l'arène, mais Aloy parvient à détruire le Mastodonte à la grande surprise d'Hélis. Il lui envoie alors d'autres machines mais Sylens provoque une explosion qui crée une brèche dans l'arène par laquelle il entre avec plusieurs machines qu'il a piraté ce qui lui permet de détruire les machines envoyées par Hélis et d'extraire Aloy.

Aloy retourne sur les terres Noras, où elle repousse l'attaque de l'Eclipse empêchant ainsi la secte de faire s’effondrer la montagne sacrée dans laquelle les Noras survivants s'étaient réfugiés, avant d'entrer dans le domaine de la Toute-Mère. Elle y trouve un message de GAIA, révélant qu'un signal inconnu a réactivé HADES et a poussé le sous-système à prendre le contrôle, et pour l’arrêter, elle n'a d'autre option que l'auto-destruction. Mais sans GAIA, la terraformation est sans contrôle, la destruction de GAIA est également la cause de l'hostilité des machines à l'égard des hommes et de la création de machines de plus en plus dangereuses et perfectionnés, elles sont mises au point et fabriquées par un autre sous-système du nom d’Héphaïstos. Alors comme mesure désespérée, GAIA a créé un clone du Dr Sobeck, espérant que celui-ci pourra entendre son message et détruire HADES, ce clone n'étant autre qu'Aloy. Quant au Dr Sobeck, elle est morte en protégeant GAIA des robots Faro.

En sortant de la montagne, Aloy fait face aux Noras qui se prosternent devant elle la considérant comme leur élue. Aloy est furieuse d’être vénérée par des gens qui l'avaient rejetée par le passé, affirme qu'elle n'est pas l'élue, que le monde entier est menacé et appelle les guerriers Noras en état de combattre à rejoindre Méridian. Par la suite Aloy obtient le système de sécurité permettant de neutraliser Hadès auprès de Sylens, ce dernier avoue qu'il est le fondateur originel de l'Éclipse : attiré par les promesses de HADES sur le savoir de l'Ancien Monde, il a mis en contact ce dernier avec les Carjas de l'Ombre qui, croyant qu'il était l'ombre enfouie de leur mythologie, ont fondé l'Eclipse pour le servir directement. Le but d'Hadès étant de rassembler une puissante armée de machines corrompues,dont certaines ont été déterrées et réveillées, pour s’emparer d'une tour de métal nommée la Flèche qui se situerait près de Méridian, une tour qui a jadis parmi à Gaia de désactiver les robots Faro. Hadès veut l'utiliser pour réveiller toutes les machines endormies sur la planète ce qui provoquera la fin du monde, les machines submergeant et anéantissant les humains tout en détruisant la nature pour se ravitailler en énergie. Hadès a aussi ordonné la mort de Sylens quand ce dernier ne lui était plus d'aucune utilité, ce qui explique sa fuite de l'Éclipse et qu'il se soit retourné contre elle et Hadès, les membres de l'Éclipse sont aussi manipulés car ils ignorent qu'Hadès veut détruire le monde, pensant qu'il veut simplement les aider à reprendre Méridian.

Aloy et Sylens apprennent également que Ted Faro (Lloyd Owen) (le responsable principal de l'effondrement du monde) a supprimé le programme qui réunissait toutes les connaissances culturelles et historiques de l'humanité, et a aussi tué tous ceux qui auraient pu aider à transmettre le savoir de l'ancien monde aux habitants du nouveau monde. Il souhaitait en effet éviter à la nouvelle humanité de commettre les mêmes erreurs que la précédente et garantir sa « pureté ».

L'Éclipse attaque finalement Méridian et la Flèche et fait face à Aloy, les amis qu'elle s'est faits au cours de son aventure, les gardes Carjas de la ville, les guerriers Noras qu'Aloy avait appelé à rejoindre Méridian, des Oserams et même des Banuks, une tribu de guerriers et de chasseurs de machines vivants dans les montagnes enneigées (à condition que le joueur ait fait certaines quêtes annexes). Pendant l'attaque de l’Éclipse, Aloy tue Hélis et lui rappelle qu'Hadès l'utilisait depuis le début et qu'il n'était qu'un pion. Hadès parvient à atteindre la Flèche et à émettre son signal mais Aloy réussit à utiliser le système de sécurité contre Hadès, ce qui le neutralise et coupe le signal. Toutes les machines qu'il avait réveillé sont désactivées avant d'avoir eu le temps de récupérer toutes leurs forces, l'émission du signal n'a donc fait aucune victime. Aloy part peu après dans un nouveau voyage et retrouve le corps du Dr Sobeck, ce qui l'émeut et lui permet d'être enfin en paix vis-à-vis de ses origines et de son statut d'orpheline. On apprend également que GAÏA a créé Aloy en fonction des indications que Sobeck lui avait donné sur la fille qu'elle aurait aimé avoir.

Une scène post-crédits montre que HADES n'a pas été totalement anéanti. Sylens parvient à le capturer et l'informe qu'il est désireux de connaître la source du signal qui a tout déclenché, et ce au risque de remettre en danger l'humanité car il compte installer Hadès dans un robot Faro, l'une des machines qui avaient anéanti le monde des anciens et failli éradiquer l'humanité.