Dark Sector gaat over de geheim soldaat Hayden Tenno, die op een gevaarlijke missie wordt gestuurd naar de Oost-Europese stad Lasria. Van deze stad is niet veel meer over dan ruïnes. Deze ruïnes herbergen een dodelijk geheim over de Koude Oorlog. Nadat zijn missie net begonnen is, wordt Hayden aangevallen door een vreemd wezen dat hem besmet met een gevaarlijk virus. Dit virus zorgt ervoor dat slachtoffers veranderen in hersenloze moordmachines. Op één of andere manier is Hayden hier echter resistent voor en heeft het virus juist positieve effecten op hem. Zo krijgt hij onmenselijke krachten om zijn vijanden uit te schakelen en gedurende de game leert hij er steeds meer, terwijl hij het mysterie van de stad probeert op te lossen. De game is een derdepersoons-schietgame met actie-elementen, waarbij je de duistere stad doorkruist die vol zit met verachtelijke creaturen die het daglicht niet kunnen verdragen. De speler bestuurt Hayden, terwijl hij al hakkend en schietend op grove wijze de vijanden uitschakelt. Terwijl het verhaal vordert muteert Hayden steeds verder, waardoor hij meer krachten krijgt. De gebeurtenissen vragen echter veel van Hayden op psychisch gebied. De grafische stijl van Dark Sector is donker en grimmig en om de ervaring zo 'realistisch' mogelijk te houden is er geen sprake van statistieken en balkjes die in het beeld verschijnen. Dark Sector bevat ook een online modus waarbij spelers in twee verschillende modi hun vaardigheden kunnen uitoefenen op andere spelers. Alleen of in teamverband.