BioShock 2 transcurre 8 años después de los eventos de BioShock. Luego de que Jack escapara de Rapture con algunas Little Sisters, la doctora Brigde Tenenbaum escapa de la ciudad con el resto de Little Sisters que había salvado. Las muertes de Andrew Ryan y de Frank Fontaine han dejado vacío el puesto de líder de la ciudad. Este puesto es ocupado por la dra. Sofia Lamb, enemiga política de Ryan que fue encarcelada por sus ideas en una prisión secreta, alejada de Rapture. Lamb comienza a manipular a los Splicers gracias a una religión llamada la Familia de Rapture, liderada por el Padre Simón Whales. Mientras Ryan creía en el genio individual, Lamb creía en el esfuerzo colectivo, y usa frecuentemente el símbolo de una mariposa como el "renacimiento" de Rapture.

En 1958 (10 años antes de que inicien los eventos de BioShock 2, y solo dos años antes del BioShock original), el primer Big Daddy unido a una Little Sister, el Sujeto Delta (Modelo Alpha), inicia su ronda con su Little Sister. Ambos pasan por una fiesta de fin de año en el spa Adonis, y pronto la Little Sister es emboscada por cuatro Splicers. Delta logra matar a dos, y deja malherida a una Splicer, pero el último hipnotiza a Delta usando un plásmido. Entonces entra en escena Lamb, que había planeado el evento para recuperar a su hija, Eleanor Lamb (La Little Sister de Delta). Aprovechando el plásmido, Sofia le ordena a Delta que se suicide disparando una pistola Luger P08 a su cabeza, en frente de la horrorizada Eleanor. Delta muere instantáneamente.

En 1968, 10 años después, Delta revive irónicamente en el mismo lugar donde murió, gracias a una Vita-Cámara. Sin recordar nada de lo ocurrido durante estos 10 años, Delta comienza a vagar por Rapture con un único objetivo: encontrar a Eleanor. Poco después de su extraña resurreción, Delta logra hacer contacto con la dr. Tenenbaum, que ha regresado también a Rapture. Ella le explica a Delta que regresó debido a las desapariciones de niñas en la superficie, siendo raptadas en las costas del Atlántico norte. Algunas Little Sister que se quedaron en Rapture han crecido y alcanzado la pubertad, y han sido reconvertidas en Big Sisters, una especie de Big Daddy más ágil y poderoso. Para mantener los ingresos de ADAM, comenzaron a secuestrar niñas en la superficie, que han sido reconvertidas por Lamb en nuevas Little Sisters. Sofia pronto descubre que Delta ha vuelto a la vida, y lo nombra enemigo principal de la Familia. Tenenbaum es forzada a huir y esconderse con unas pocas Little Sisters salvadas, pero a cambio le deja a Delta a un nuevo aliado: Augustus Sinclair, dueño de Soluciones Sinclair, desarrolladores de la Vita-Cámara. Ambos descubren que Eleanor sigue viva, y deciden ir a la prisión de Perséfone para rescatarla, y huir en una cápsula de escape a la superficie. Para llegar allí, usan el Expreso Atlántico, el viejo sistema de transporte de Rapture (Construído antes del sistema de Batiesferas). Durante su viaje, Eleanor le deja a Delta varios regalos, debido a que puede comunicarse con las Little Sister.

Durante el viaje, se detienen en un parque de diversiones construído por Ryan con fines de propaganda. Delta obtiene el plásmido de Incinerar para derretir el hielo que bloqueaba las vías. Posteriormente paran en Pauper's Drop, un área construída por los trabajadores del Expreso, y que albergaba a parte de la población pobre de Rapture. Allí, Delta debe ubicar a Grace Holloway, quien posee una llave genética que sirve para abrir una compuerta, y así permitirle a Delta y Sinclair continuar su viaje. En ese punto, y luego de luchar contra los Splicers, Delta puede matar o no a Grace, con consecuencias en la historia.

El dúo continúa, pero Delta es derribado del Expreso gracias a un torpedo disparado por la Familia. Sinclair sigue vivo, así que Delta se dirige a Siren Alley para drenar Dionysus Park, el área donde se encuentra Sinclair. En el camino, Delta se enfrenta a los Splicers de la Familia, y termina matando al Padre Whales, quién venera a Jack (El protagonista de BioShock 1) como un dios que bajó de la superficie para castigar a Ryan. Dionysus Park es drenado, pero Siren Alley termina inundado. Delta alcanza a Sinclair, y descubren que Stanley Poole es el único habitante cuerdo de todo el parque. Stanley le abrirá la compuerta al Expreso, si Delta salva o cosecha a tres Little Sister. Delta cumple con la misión, y con cada Little Sister, Eleanor le recuerda las acciones pasadas de Stanley. Stanley le recuerda a Delta que él era conocido como "Johny Topside" por la gente de Rapture, y que descubrió el solo Rapture gracias a un submarino pequeño, pero Ryan lo acusó de ser un agente de la CIA, y lo convirtió en un Big Daddy. Antes de dejar el área, Sofia le recuerda a Delta que fue Stanley quién lo llevó ante Ryan. Delta puede elegir entre matar o perdonar a Poole.

Delta y Sinclair llegan a Fontaine Futuristics, la empresa principal de Fontaine, y deciden buscar una forma de ingresar a la prisión de Persephone. Sus planes son frustrados por Gilbert Alexander, el científico responsable de que Eleanor se convirtiera en una Little Sister. Sin embargo, Alexander ha enloquecido y se hace llamar "Alex el Grande". Durante el nivel, descubre grabaciones de Alexander antes de enloquecer, que le pide a Delta (Y a cualquiera que escuchara sus grabaciones) que lo mate para acabar con su tormento. Antes de abandonar el área, Delta puede elegir entre electrocutar a Gilbert y cumplir su deseo, o ceder antes las plegarias del ahora loco dr. Alexander.

El dúo llega hasta Persefone, y comienzar a buscar a Eleanor. Sofia, en un último intento para acabar con Delta, envía a dos Big Sister, pero Delta las logra derrotar. Sofia, sin embargo, no ha olvidado algo: Delta y Eleanor tienen una unión especial, y si el corazón de Eleanor para, el de Delta también. Sofia ahoga a Eleanor con una almohada y Delta queda en coma, aunque Eleanor logra sobrevivir.

Delta despierta capturado por la Familia. Eleanor decide ayudarle y envia a una Little Sister hasta la localizacion de Delta. La niña le inyecta algo que hace que Delta tome el control de la Little Sister, que debe buscar las 3 partes del traje de una Big Sister y llevárselas a Eleanor. Antes de ir a salvar a Delta, Eleanor salvará o cosechará a la Little Sister, dependiendo de las acciones de Delta con las Little Sister. Delta vuelve a sí mismo, y ambos comienzar a buscar a Sinclair para huir. Pronto descubren que Sinclair intentó ayudar a su amigo, Delta, pero Sofia lo ha capturado, y reconvertido en el último Modelo Alpha. Sinclair, sin embargo, logra ayudar a Delta y le pide que lo mate. Sofia intenta ganar de nuevo el amor de su hija, pidiéndole que deje a Delta morir, y que se reúna con su madre en la cápsula de Sinclair. Eleanor se niega a abandonar a su protector, y decide preparar el mecanismo de lanzamiento con la ayuda de 6 Little Sisters, mientras Delta protege el área. A último momento, los Splicer comienzan a detonar cargas explosivas con el fin de que Persefone caiga a un abismo submarino. Eleanor y Delta intentan abordar la cápsula, pero el túnel de acceso está bloqueado con explosivos. Estos estallan, pero la cápsula logra ser disparada a la superficie.

Finales

Hay seis finales posibles, dependiendo de la forma en que el jugador se comportó durante el juego:

• Muy bueno: Delta salvó a todas las Little Sister, y le perdonó la vida a Grace, Stanley y Gilbert (Debe perdonar a al menos uno). En este final, la cápsula está llena de agua, y Sofia está a punto de ahogarse. Sin embargo, Eleanor ha observado las acciones del jugador, y le da a Sofia una botella con aire y respirador, perdonándola. En la superficie, Delta comienza a morir por sus heridas, pero Eleanor usa la aguja de la Big Sister y le extrae el ADAM, haciendo que Delta viva dentro de la mente y cuerpo de Eleanor, sirviendo como un guía en el desconocido mundo exterior. Las Little Sister le dan a Eleanor un peluche parecido a Delta, y ella lo lanza al mar, mientras todas observan el atardecer.
• Bueno: Delta salvó a todas las Little Sister, pero mató a Grace, Stanley y Gilber (A los tres). Este final es igual que el anterior, pero ahora Sofia muere.
• Neutral 1: Delta salvó al menos a una Little Sister, cosechó al menos otra, y perdonó a los personajes. En este final Sofia vive, pero hay una tormenta en el cielo, no hay Little Sister, y Delta puede elegir entre darle su ADAM a Eleanor o morir sin más.
• Neutral 2: Delta salvó al menos a una Little Sister, cosechó al menos otra, y mató a los Personajes. Igual al anterior, pero Sofia muere.
• Malo: Delta cosechó a todas (O a muchas) Little Sister y perdonó la vida a los personajes. Sofia vive, y el ADAM de Delta es absorbido por Eleanor. El cielo es igual al final neutral, y no hay Little Sisters.
• Muy malo: Delta cosechó a todas (O a muchas) Little Sister y mató a todos los personajes. Sofia muere, y Delta intentará evitar que Eleanor absorba su ADAM. Ella le inyecta violentamente la aguja, y observa los cadáveres de Splicers saliendo a flote. El cielo es igual al anterior final, y no hay Little Sisters.