Atomic Heart погружает игроков в альтернативную советскую реальность, где робототехника достигла невиданных высот.

Действие игры разворачивается в 1955 году. Вторая мировая война давно позади, а СССР активно осваивает мирный атом и создаёт передовые технологии. Роботы трудятся на фабриках и в колхозах, выполняя тяжёлую и опасную работу. На секретном объекте «3826» производятся роботы для быта.

Однако в один момент происходит сбой системы управления, и роботы начинают бунт. Они уничтожают весь персонал завода.

Главный герой, спецагент П-3, отправляется разобраться в инциденте. Ему предстоит спуститься в подземные этажи комплекса, полные враждебных машин. Роботы-охранники, индустриальные механизмы, летающие дроны — все они будут атаковать героя, не зная пощады.

Чтобы противостоять армии металлических монстров, у агента есть фирменный экзоскелет советских спецслужб. Этот костюм можно модернизировать, срывая конечности с поверженных роботов и присоединяя их к себе. Таким образом, игрок получает доступ к уникальным способностям и оружию.

Бои в Atomic Heart в основном проходят в ближнем контакте. Патронов к огнестрельному оружию катастрофически не хватает, поэтому приходится экономить и активно использовать холодное оружие и способности костюма.

Исследуя заброшенные цеха и лаборатории, герой попутно решает загадки и головоломки, чтобы пробиться дальше и раскрыть тайну произошедшего.