本作的剧情跨越时间为1961年-1968年，另外有一关Reznov的回忆，控制Reznov与Dimitri并肩作战，时间是1945年(二战关卡）。
二战后期，帝国（纳粹德国）意识到战败已成定局，于是开始研究“非常规方案”，之后代号为Nova 6 的研究计划启动，由生化博士Dr. Friedrich Steiner带队的纳粹科学家（其中有一位叫Clarke的化学工程师）成功研制出一种毁灭性的大规模杀伤性毒气，纳粹甚至已经计划好通过V2导弹和毒气对盟国发动袭击，准备先对华盛顿和莫斯科下手。幸运的是在这千钧一发的时刻，运载毒气的货轮刚巧在北极圈附近被英军的轰炸机炸搁浅了，更倒霉的是德军还没来得及回收毒气盟军已经攻陷了柏林，大当家（希特勒）自杀了，德国投降，这样毒气已经没有存在的必要，德军曾暗中派遣一支SS党卫军部队前往保护搁浅的货轮，并准备万一货轮遭袭击就销毁毒气。但是Steiner博士是个有野心的人，他不甘心就这么结束，暗中联系了苏军中的某军官Dragovich（本作头号反派）。于是，苏军计划了一次奥林匹斯行动（Operation Olympus）
行动非常顺利，在Dragovich、Kravchenko、Dimitri、Reznov的带领下，苏军很快突入德军内部，找到了Steiner博士，然后顺利拿到了毒气（毒气没有被党卫军销毁，大概是进攻太快了没来得及）。这时，Dragovich想试试毒气威力，同时主要也是为了灭口，将Raznov和Dimitri的部队逮捕，之后就在那个货船中，Dimitri在密闭仓里被毒气毒死，死状非常惨，而Reznov在刚要被毒死的时候，英军特种部队刚好杀到（应该是来抢毒气的），Dragovish和Steiner等人立刻溜了，而Reznov和几个幸存的弟兄在混乱中从英军和苏军中杀了出来，并成功将货轮炸沉，这样英军没有获得毒气(大概也不知道有这玩意儿)，但是Steiner博士还活着，毒气并没有完全消失。之后Reznov不知什么原因被苏联抓获，关在了Vorkuta集中营。
1961年4月17日，美国对古巴发动猪湾行动，历史上真有这次行动，不过游戏中的剧情和历史完全不同，中情局特工Mason（本作猪脚）和队友Woods、Bowman奉命刺杀卡斯特罗。行动非常顺利，三人顺利杀入古巴，Mason亲手杀死“卡斯特罗”，Woods还上前补了好几枪，之后三人顺利登上逃亡的飞机，但是在飞机在跑道上启动时，Mason看到敌人有大量装甲车和防空炮赶来，毅然跳下飞机利用路边的一座防空炮消灭敌人大量装甲车，之后队友的飞机顺利起飞并逃走，而Mason被古巴士兵抓走。之后Mason醒来，发现自己在某海边，旁边有一艘写有RUSALRA的大货轮（这实际上就是Dragovich发布广播的秘密通讯基地），而卡斯特罗竟活生生站在自己面前，另外还有Dragovich和Kravchenko！通过他们的谈话得知卡斯特罗早已知道中情局的刺杀计划，Mason他们杀死的那人只不过是个替身。之后他将Mason当做“礼物”交给Dragovich，并请Dragovich折磨Mason。之后Dragovich和Steiner博士似乎有另一个秘密研究，他们将某些犯人进行洗脑，让其为自己服务。由于Mason本就是特工，很适合拿来作杀人工具，他们对Mason实施了洗脑，灌输了刺杀美国总统肯尼迪的命令！同时还在Mason大脑里植入了一套密码破译程序！但是Mason不是普通人，他有超强的意志，对他的洗脑失败了，于是Steiner放弃了Mason，也将他发配到Vorkuta集中营。
Mason来到了Vorkuta后遇到了Reznov，并和其成为了好朋友。Reznov一心想要报仇（Dragovich不止一次背叛他，而且Dimitri的仇当然也要报），但是凭他自己似乎实力不足，然后他发现Mason身手不凡，于是计划让Mason帮忙。奇怪的是Raznov对洗脑的事情竟然也知道一些，他偷偷的对Mason灌输了：“Dragovish、Kravchenko、Steiner都必须死！”这么个思想，而且他成功了（真扯淡，不过也可能是因为Mason和他是好友的关系，反正他的洗脑成功了）。之后他计划将Mason送出去。而Mason自己对于被洗脑的事情一点都不知道，而且他的大脑在洗脑中似乎有损伤，之后他在执行任务的时候经常会产生幻觉，认为Raznov在和他一起战斗，其实那时候Raznov老早死了。
1963年10月6日，Reznov领导其他劳工发动了计划好的***，混乱中大量劳工被杀，Mason和Reznov并肩作战，最后成功杀了出来（其中有驾驶摩托车的逃亡的部分，那个散弹枪单手填弹的动作真TM帅），最后Reznov成功送Mason跳上路过的一列货运火车，而他自己为了让Mason能成功脱身而驾驶卡车朝另一个方向开去以吸引追兵的注意。之后Mason成功逃出，而在后来Hudson的分析中得知Reznov自己没成功，在这次逃亡中被杀死了。之后剧情中Reznov经常会在关键时刻出现帮助Mason，那实际上都是Mason的幻觉。
一个月后，1963年11月10日，Mason回到了五角大楼，在通过忠诚测试后，又重新成为中情局特工，Jason Hudson成为了他新的handler（这个不知道怎么翻译，如果你玩过细胞分裂，那个兰伯特就是费舍的handler）。肯尼迪总统亲自召见了Mason，给了他一个刺杀Dragovich的任务，Mason当然接受了任务。
一周后，1963年11月17日，CIA实施了闪电行动，Woods、Mason、Bowman、Weaver和Brooks袭击了苏联的拜科努尔太空基地，任务包括：破坏苏联的远程导弹（火箭），消灭苏联激进分子（包括Dragovich）以及一些投降苏联的纳粹科学家，Weaver在这次行动中被弄瞎了一只眼，最后众人杀到火箭控制台却发现控制台坏了，无法停止发射远程导弹（火箭）。但是苏联的科学家想的太周到了，他们早已考虑到万一有员工不小心发射了火箭而控制台刚好失灵无法终止的情况，于是事先在控制台门口存放了一支火箭发射器用来把火箭打下来，之后Mason执意要找到Dragovich并亲手杀死他（被洗脑的后果），但是Dragovich早已逃走。
1968年1月21日，Mason和Hudson被编入“美国驻越军援司令部特别观测组（MACV-SOG）”，到越南调查苏联暗中在越南行动的证据，这关的实际内容和剧情没多大关系，Mason他们刚到刚好碰上北越大举进攻，于是突突突了一把。。。最后还遇到了Bowman。
2月2日，美军并没有找到苏联介入越南战争的证据，同时美军在越南已经面临失败，但是SOG并不愿意放弃，毅然空降到混乱的越南顺化寻找证据，在某幢大楼里，Mason找到一份档案，竟然是关于Nova 6计划的！之后众人突突突，然后回家了。
一周后，2月9日，通过对文档的研究，CIA发现了其中一个线索：化学工程师Clarke，很快CIA便确认了Clarke的地址：香港九龙！于是Hunson和Weaver便被派到香港九龙抓住Clarke并审问，Clarke说出了Steiner及其实验室的地址，但是没等Clarke说出更重要情报，苏联人杀到。Hudson和Weaver毕竟是特工出身，非常强悍的拔枪就打，但是更强悍的是Clarke！这家伙竟然早有准备，释放了事先布置好了毒*气（他竟然也有毒*气……），苏联人顿时死了好多，然后Clarke带领Hudson和Weaver逃到某小房间里（是的，你没看错，是Clarke带着Hudson和Weaver逃，不是Clarke在前面逃Hudson他们在后面追），然后Clarke打开一个密室，里面竟然是个私人武器库，之后三个人拿上武器突突突了一把，途中Clarke说出了一串数字，但是在他刚要说出这串数字的含义的时候却被流弹打中挂了。而Hudson和Weaver继续突突突，最后安全撤退。
于此同时，2月9日（和上一关同一天），根据之前找到的文档，CIA怀疑Kravchenko上校（Dragovich的二当家）在越南进行毒气测试，同时CIA得知他在越南北部，于是还在越南的SOG（Woods、Mason、Bowman三人组）便被派往北越搜寻证据并除掉Kravchenko，但是他们搭乘的飞机在途中被击落了，之后反正一路杀过去，最后Mason在越军的一处洞穴里发现了Kravchenko的通讯站，但是Kravchenko早已逃走，Mason只拿到些资料。
月11日，从Hudson那里得到消息说有一架装载Nova 6毒*气的苏联运输机在老挝边境坠毁，于是Woods、Mason和Bowman又半夜赶往老挝搜寻飞机残骸，最后发现残骸里根本没有Nova 6，这是个圈套，之后三人被大量围攻来上来的敌人俘虏。玩到这里顺便说下游戏的配乐，本作的配乐本身还算不错，但是和游戏场景完全不搭配，所以玩着就觉得没有像现代战争2那种带入感，不过这关是个例外--开头一群美军开着gunboat、扛着火箭筒、用着machinegun听着乡村音乐，然后强拆越南民房。。。就像某兄说的“这是怎么样的一种lifestyle……”。
2月18日，中情局竟然没有组织对Mason他们的营救行动，大概是以为他们已经挂了吧，由于之前从Clarke的口中得知了Steiner博士以及他的实验室的地址--乌拉尔山脉的亚曼托山上，于是Hudson、Weaver、Harris、Brooks四人便被派过去搜寻相关资料并抓捕Steiner。这次任务中Harris掉下悬崖牺牲了，其他人最后找到了Steiner的办公室，但是Steiner并没在这个基地，整个基地布满了炸丅弹和导线。这时Steiner破解了Hudson等人的无线电频率并联系到了他们，Steiner告诉他们Dragovich正在清理所有与Nova 6有关的设施和人员（Nova 6 已经研发完成，Dragovich又要灭口了），他自己也即将遭殃。而且Dragovich在美国存储了大量毒*气，只要通过广播特定的密码这些毒*气就会自动施放。Dragovich将在36小时内开始广播（实际上后来不知为什么毒气释放时间推迟了很多，当然也可能是Steiner在这里稍微夸张了一下），只有Steiner知道如何停止广播，同时他又说了自己所在的基地--咸海的重生岛，言下之意就是要美军去那里救他了。之后Weaver拍了下毒*气的储存点，然后大家便杀出基地返回。
2月19日，剧情回到Mason等人这边，上次被捕后，Mason三人被关在老挝某处审讯。越共实在太幼稚了，SOG这种美国最精锐的特种部队，一个人空手杀死十几个带枪的民兵那是很可能的，而Mason和Woods在审讯室里连手铐脚链都没有的戴，房间里总共5个人，两个士兵在后面懒散地坐着，其他三个围着Mason和Woods审问（Bowman之前由于不配合被那个军官打死了），而Mason和Woods竟然坐在那里玩俄罗斯转盘，大概是不说出情报就要一直玩下去。之后两人找到机会杀了几个看守逃了出来。为了报仇，两人没有直接走掉，开着抢来的飞机又杀到另一处基地路狂杀，到最里面后竟然发现Kravchenko就在这里，于是顺便把Kravchenko杀了，不过在最后一个Kravchenko拉开手雷并拖住Woods，两个人最后同归于尽。这样最后回到中情局的只有Mason一人。
2月23日，Mason回来后也得知了Steiner的地址，由于担心美国找到Steiner和毒*气后也会像Dragovich那样不会销毁毒*气而是用来对付敌人（苏联），当然更主要的原因是他脑子里有“Dragovich、Steiner、Kravchenko都必须死”的信念，所以他一定要亲手杀死Steiner（或者亲眼看到Steiner死），于是他便独自前往重生岛刺杀Steiner。其实这时候，Hudson等人已经在去重生岛救Steiner的路上了，不过由于Hudson他们是正面杀入，而Mason是单人从后方潜入，最后Mason稍快几分钟，成功杀了Steiner。之后Mason被Hudson等人打晕带回总部
接下来就是游戏一开始的时候就出现的审讯室场景了，时间大概是2月25日，幕后审讯者实际上就是Hudson和Weaver。在审讯中经常能听到有人在读奇怪的数字，这实际上就是Dragovich的广播，广播已经开始了！不过释放毒气的指令似乎还没有下达，但危机已经迫在眉睫，由于Steiner已经死了，没有人知道Dragovich的广播站具体位置，而Mason由于之前被植入过密码翻译程序，所以只有他有可能翻译密码，从而找到广播站地点。于是为了帮助Mason记起密码破译程序，Hudson帮助Mason回忆了这些年来的经历（就是游戏内容），但是最后Mason还是没想起来。直到最后Mason在听了Hudson说了事情真相之后，仔细听了一段广播，想到了一个词：RUSALRA--这就是1961年Mason在古巴被捕后曾看到的那艘船的名字，而那艘船具体是在古巴某处！
2月26日，CIA很快就找到了RUSALRA的具体位置并对其发动了攻击，当Mason等人突入轮船内部后，发现实际上Dragovich在轮船的正下方建了一座秘密水下广播站，那才是广播源。这时候Weaver收到消息海军将在15分钟内炸毁轮船和水下广播基地，但是Mason坚持要下去亲手杀死Dragovich（被Reznov洗脑的后果）。之后Hudson叫Weaver先上去，然后和Mason潜下了广播基地，最后两人真找到并杀死了Dragovich，然后二人安全返回海面。游戏结束。
不过游戏结束后又出来一段过场，某个播音员仍在那里念那些数字，广播还在继续？或者广播站不止一个，还有另一个广播在在播放密码？而最后在肯尼迪遇刺的照片上，背景人群里竟然出现了Mason的身影。其实最诡异的还是在最终溺死Dragovich时，Mason质问Dragovich在Mason脑中试图植入命令（洗脑）。最后Dragovich在被摁在水里死前用反问句非常轻蔑不屑地说“Tried？”。加上最后一段过场中的女人仍然在广播着数字和Mason出现在肯尼迪的照片里，可能这暗示了其实Dragovich、Kravchenko、Steiner给Mason的洗脑有一部分成功了或者是洗脑后遗症遗留下来的指令，最后Mason还是干掉了肯尼迪……