Bioshock start met de vliegtuigcrash van het hoofdpersonage (de speler) midden in de Atlantische oceaan in 1960. Hij weet als enige passagier te overleven en ontdekt een oude vuurtoren die de ingang tot de onderwaterstad Rapture (letterlijke vertaling: extase) afbakent. Het blijkt dat dit gigantische metropolis werd gesticht door Andrew Ryan. Rapture werd gebouwd als utopie verborgen voor de rest van de wereld: volgens de ideologie van Ryan heeft iedere inwoner het recht op de vruchten van zijn werk, zonder inmenging van een ander (denk aan de overheid die belastingen int of de ethische aspecten van kunst- en medische wereld). Het bestaan van Rapture werd geheim gehouden opdat geen enkele 'parasiet' van buitenaf de ideologie van Rapture zou kunnen verstoren.

De inwoners van Rapture blijken echter net een burgeroorlog die begon in 1959 achter de rug te hebben, een oorlog tussen Andrew Ryan en de vrijheidsstrijder Atlas, die beweert dat Ryans ideologie corrupt is en Ryan zelf een tiran. De oorlog werd gevoerd met handgemaakte wapens van allerlei soort, en plasmids. Plasmids zijn genetische verbeteringen aan het menselijk lichaam, die werden ontwikkeld met behulp van de stof Adam. Dit product werd gewonnen uit een diepzeesymbiotische slak. Door de burgeroorlog ontstond een wapenwedloop in strijdvaardige plasmids, zodat al gauw een tekort aan Adam ontstond. Dit uit zich in de inmiddels verslaafde bewoners, die uiterlijk en mentaal mutaties ondergaan hebben en zeer agressief reageren tegenover iedere vreemdeling die hen benadert; zij worden niet langer mensen genoemd maar splicers.

De speler maakt via een kortegolfradio kennis met Atlas. Deze verklaart dat hij samen met zijn familie Rapture wil verlaten, en heeft daarvoor de hulp van de speler nodig. Hij begeleidt hem gedurende zijn avonturen in het ondertussen dystopie geworden onderwatercomplex. Andrew Ryan daartegenover ziet in de speler een geheim agent van buitenaf die Rapture wenst te plunderen en stuurt regelmatig een horde splicers op hem af. Gedurende het spel leert de speler meer over de welvaart en val van deze uitzonderlijke samenleving, regelmatig worden audiofragmenten van de inwoners teruggevonden die stuk voor stuk het verhaal compleet maken.

Het typerende aan Bioshock is de zogenaamde big daddy en de daarbij horende 'little sister': de little sisters zijn de dragers van de diepzeeslak en zo de enige bron aan Adam. Deze kunnen echter de Adam in de overal verspreide dode lichamen in Rapture recyclen, en zo enorme besparingen maken. Aangezien zij het doelwit zijn van de splicers die op Adam uit zijn worden ze beschermd door een tot op de tanden gewapende lijfwacht, de big daddy. Geen van beide verricht dit werk uit vrije wil: zij werden systematisch gehersenspoeld, geprogrammeerd en getraind met behulp van plasmids voor hun werk.

Het verhaal van Rapture na de belevenissen in Bioshock wordt gegeven in het vervolg: BioShock 2.