Гра починається за 200 років до основних подій на засніженій планеті в ролі солдата Тіма Койфмана, який повинен знайти на розбитому кораблі носій інформації з «Кодексом». Знайшовши його, солдат відносить знахідку в домовлене місце, де його вбиває командир Махада, після чого стирає «Кодекс» і вистрілює собі в голову.
Після подій Dead Space 2 минуло два місяці. Айзек Кларк оселився на колонії «Нові горизонти» на Місяці, воліючи залишатись осторонь будь-чого, пов'язаного з Обелісками та некроморфами. Еллі Ленгфорд домоглася отримати протез втраченого ока і вирішила зупинити поширення Обелісків. Одного разу в квартиру Кларка вламуються двоє спецпризначенців Земного уряду (англ. EarthGov) — Капітан Роберт Нортон і сержант Джон Карвер, та вимагають від нього піти з ними, оскільки Айзек єдиний, хто зміг зруйнувати два Обеліски. Спочатку він протестує, кажучи взяти для таких справ Еллі, але, дізнавшись, що Еллі зникла і саме тому EarthGov прийшли до нього, погоджується піти.
Скоро на групу нападають юнітологи, Айзек відокремлюється та, пробиваючись крізь натовп фанатиків юнітологів і некроморфів, дізнається хто стоїть за нападом — Артур Данік. Той демонструє Айзеку Обеліск, що став приичиною поширення некроморфів на Місяці і намагається вбити Айзека, але йому вдається втекти. Отримавши відомості про останнє місце перебування Еллі — планету Тау Волантіс, він вирушає туди з Нортоном та Карвером.
На підльоті до планети їхній човник потрапляє в мінне поле, екіпажу ледве вдається евакуюватися на найближчий покинутий корабель CMS Roanoke. Там же Айзек знаходить Еллі і Остіна Бакла та Дженніфер Сантос — інших вцілілих з її команди. Знайшовши всі необхідні деталі для ремонту на інших розбитих кораблях команді вдається полагодити транспортник і висадитися на планету. В ході жорсткої посадки Айзек відокремлюється, а його шолом ламається, що стає проблемою в холодному кліматі. Відбиваючись від напалих некроморфів він натикається на пораненого Бакла. Той перед смертю повідомляє про сховок з необхідними для виживання на планеті речами. Айзек знаходить все необхідне, після цього зустрічається з Карвером і знаходить лабораторію. Група дізнається, що Обеліски на планеті контролює якась машина, знайти яку можна завдяки замороженому велетенському некроморфу Нексусу. Добравшись до ангара і полагодивши системи, Айзек потрапляє всередину Нексуса. Згодом з'ясовується, що Нортон передавав юнітологам всю інформацію. Нексус несподівано оживає, після битви з ним Нортон безуспішно намагається застрелити Айзека.
Айзек розповідає про цей випадок Еллі. В горах Сантос і некроморф падають на ліфті. Айзек падає також, але залишається живим і згодом знову зустрічається з Еллі. Дійшовши до кімнати управління, Айзек дізнається, що аби відключити машину йому потрібно зібрати новий ключ або ж «Кодекс» і частини некроморфа Розетти, знайденого першими колоністами, і який утворений з тіла представника зниклої цивілізації Тау Волонтіс. Айзек збирає частини Розетти і спостерігає видіння того як Обеліск, якому поклонялися корінні жителі планети вбив їх, щоб почати Воз'єднання — перетворення себе на Місяць — фінальну форму розвитку некроморфів. Тій цивілізації вдалося побудували машину для того, щоб не дати Місяцеві покинути орбіту Тау Валонтіс. Айзек усвідомлює, що ключ насправді потрібен для зупинення Місяця. Але тут на команду нападає Даннік і його юнітологи, котрі відбирають у Айзека ключ. Кларк впускає в кімнату отруйний газ і тікає з Карвером, проте Даннік теж вибирається. Еллі ж вважається загиблою. Діставшись до шахт з машиною герої захоплюють ключ і ремонтують машину. Даннік бере вцілілу Еллі в заручники, Карвер віддає ключ йому, вважаючи порятунок Еллі важливішим.
Вимкнення машини повертає до життя Місяць, який раніше сприймався за природний супутник, що починає поглинати все навколо. Данніка в результаті вбиває скелею. Айзек вирушає ослабити Місяць, борючись з частиною велетенського організму всередині, включає машину заново, що врешті вбиває Місяць.