En 2011, ha estallado una guerra civil en Rusia entre su gobierno y los ultranacionalistas quienes buscan restaurar Rusia a su glamour de la era soviética. En el estrecho de Bering un equipo del Servicio Aéreo Especial británico, realiza una incursión a un barco carguero estoniano, en sus bodegas encuentran un contenedor con una ojiva nuclear de procedencia árabe, pero antes de confiscar el dispositivo el barco es atacado por cazas y los ingleses huyen con el manifesto de carga del navío. Mientras tanto, un grupo separatista dirigido por Khaled Al-Asad toma el poder en un país “pequeño pero rico en petróleo” en el Medio Oriente mediante un golpe de estado, asesinando a su presidente Yashir Al-Fulani en cadena nacional. Al-Asad es despiadado y tiene vistas anti-occidentales extremas, que “obligan” a los Estados Unidos a invadir el país. En la madrugada del segundo día, el mismo equipo SAS se infiltra en el Cáucaso ruso para rescatar a un informante conocido como Nikolai, dentro de las filas ultranacionalistas con la ayuda de una unidad del Ejército Ruso leal al gobierno, después de ser rescatado, el informante les dice que las fuerzas golpistas en medio oriente pueden tener un artefacto nuclear ruso. En la tarde del segundo día de la invasión, una unidad de la 1º Fuerza de Reconocimiento del cuerpo de marines de los Estados Unidos es enviado a capturar a Al-Asad. Las fuerzas estadounidenses atacan una estación de televisión en el que Al-Asad se cree que está transmitiendo en vivo y luego entra en combate urbano en una ciudad de nombre desconocido al sur de la capital.
En la tarde del tercer día, los EE.UU. lanza un asalto a gran escala en el palacio presidencial de Al-Asad, a pesar de la advertencia del SAS sobre la posible arma nuclear. Mientras los SEALs de la Marina de EE.UU. invaden el palacio presidencial y los equipos NEST intentan deshabilitar el arma nuclear en posesión de los árabes, los marines atacan las fuerzas terrestres de Al-Asad. El asalto, sin embargo, termina en catástrofe cuando el arma nuclear de repente se detona en plena retirada de los estadounidenses, eliminando la mayor parte de la ciudad junto con todos en ella. La explosión también mata a Jackson, cuando el helicóptero donde evacuaba con su pelotón es derribado por la onda expansiva.
Negándose a asumir que Al-Asad murió, un equipo de ataque SAS apoyado por los leales de Rusia ataca un piso franco potencial en un pueblo de Azerbaiyán. Liderados por el capitán Price, el equipo de ataque erradica las fuerzas rusas ocupantes y capturan a Al-Asad. Pronto en el interrogatorio, suena el teléfono de Al-Asad. Después de escuchar la voz del que llama, el capitán Price ejecuta a Al-Asad y revela que quien llamaba era el líder de los ultranacionalistas: Imran Zakhaev.
El capitán Price cuenta la historia de una misión en Prípiat, Ucrania en 1996. Como consecuencia del accidente de Chernóbil y el colapso de la Unión Soviética, Imran Zakhaevaprovechó la confusión para sacar provecho de la proliferación nuclear, vendiendo el material radioactivo y utilizó su nueva riqueza para atraer a los soldados del ejército soviéticopara formar su partido ultranacionalista. Price, en ese entonces un teniente, bajo el mando del capitán MacMillan fueron enviados en una operación negra para asesinar a Zakhaev. Desde su puesto de observación en el piso superior de un hotel abandonado, Price disparó contra Zakhaev con un rifle de francotirador Barrett M82, pero el disparo sólo cortó el brazo de Zakhaev. Price y MacMillan lograron escapar de los secuaces de Zakhaev.
El SAS, los Marines y los Leales intentan capturar al hijo de Zakhaev -Victor- para conocer el paradero de su padre pero mientras lo arrinconan en la azotea de un edificio de apartamentos, Victor se suicida con un disparo en la cabeza. Enfurecido, Zakhaev toma represalias lanzando misiles balísticos intercontinentales nucleares hacía la Costa Oriental de EE.UU., con una estimación de bajas de 41 millones de personas. El SAS y los marines, sin embargo, logran aprovechar la sala de mando de la plataforma de lanzamiento y desactivan de forma remota los misiles sobre el Océano Atlántico. Escapan de la instalación en camiones militares con las fuerzas de Zakhaev pisándole los talones.
Un helicóptero ultranacionalista Mi-24 Hind destruye un puente vital y atrapa la fuerza conjunta. La consiguiente lucha con los ultranacionalistas deja a todos en la fuerza conjunta muertos o gravemente heridos. El propio Zakhaev llega y comienza a matar los soldados heridos -Gaz y Griggs- cuando los leales de repente destruyen su Mi-24 Hind y se unen a la refriega. Zakhaev muere acribillado por MacTavish. Las fuerzas leales comienzan a atender a los heridos de inmediato.
En el otro, el incidente de los misiles y el apoyo de los ultranacionalistas de Al-Asad son silenciados, lo que causa los eventos de Call of Duty: Modern Warfare 2.