Atomic Heart é um jogo de tiro em primeira pessoa de aventura, cujos eventos se desenrolam em um universo alternativo durante o meio-dia da União Soviética. O personagem principal do jogo é um agente especial P-3, que depois de um pouso mal sucedido na empresa "3826" está tentando descobrir o que deu errado.

Situado em uma versão alternativa da década de 1950, Atomic Heart se passa na União Soviética, na qual a robótica e outras tecnologias se tornaram desonestas. Esses experimentos de bioengenharia assumiram uma instalação de fabricação e estão correndo soltos. Você joga como P-3 da idade especial da KGB, que é enviado a esta instalação para investigá-la depois de ter ficado em silêncio.