Действие Atomic Heart происходит в альтернативном СССР, в котором страна вышла на массовое производство роботов, обслуживающих население страны. Главным героем игры является майор Сергей Нечаев, — агент советской разведки под псевдонимом П-3 — прибывший на предприятие по производству роботов под кодовым названием «3826», находящемся в КазССР. По неизвестной причине роботы на объекте вышли из строя и напали на персонал, а затем захватили «3826». Теперь майору Нечаеву предстоит не только разрешить ситуацию и остановить роботов, но и выяснить причину произошедшего. Игра включает в себя сражения с видом от первого лица; в течение игры персонаж может находить и конструировать разнообразное оружие. По словам генерального директора Mundfish Роберта Багратуни, игровой мир представляет собой «весь Советский Союз, широкий круг» от Арктики на севере до Алтайских гор на юге; локации игры, такие как подземные и надземные объекты «3826», разбросаны по карте и связаны железными дорогами