En octobre 2012, deux hackeurs, Aiden Pearce et Damien Brenks, tentent de pirater les comptes bancaires de l'hôtel Merlaut de Chicago. Pendant le transfert, ils repèrent un fichier suspect mais aussi un autre pirate qui les intercepte. Damien tente de le repérer mais Aiden l'en empêche en coupant la connexion. Repéré, Aiden tente de mettre sa famille à l'abri, mais alors qu'il est en voiture avec sa nièce de 6 ans Lena, il est attaqué par un groupe de motards mené par Maurice Vega, qui tire dans la roue d'Aiden et provoque un accident. Si lui s'en sort, Lena tombe dans le coma et meurt deux mois plus tard.
En 2014, Aiden traque les responsables à travers la ville, malgré Nicky, sa sœur et mère de Lena, qui veut tourner la page pour son fils, Jackson. Connu sous le pseudonyme du Justicier ou du Renard, il utilise à son avantage le ctOS, un système informatique hyper-connecté gérant les infrastructures électriques et électroniques. Aiden retrouve ainsi Maurice et cherche le nom de ses commanditaires, mais le truand l'ignore. Aiden confie donc Maurice à Jordi Chin, un « Fixeur » sans scrupules. Pendant son enquête, Aiden recroise la route de Damien, avec qui il avait coupé tout contact. Désormais infirme, ce dernier demande à Aiden de retrouver l'autre hacker, qui pourrait détenir la clé, mais Aiden refuse. Afin de lui forcer la main, Damien enlève Nicky et menace son neveu ; Aiden confie Jackson à sa psychologue avant d'accepter de répondre aux demandes de Damien.
Aiden est vite remarqué par le collectif hacktiviste DedSec, un groupe de hackers de Chicago, et plus particulièrement BadBoy17, en réalité la tatoueuse Clara Lille (dans la version anglaise du jeu, Clara utilise des expressions québécoises). Grâce à elle, il retrouve le second hacker : Delford « Iraq » Wade, ancien militaire des forces spéciales devenu chef de gang. Aiden manipule un des lieutenants d'Iraq afin d'accéder à son serveur privé mais ne parvient qu'à obtenir des données partielles, suffisantes pour comprendre qu'Iraq détient des données personnelles sur chaque personne influente de Chicago, ce qui lui offre protection et tranquillité. Afin de casser le cryptage, Clara renvoie Aiden vers l'un des concepteurs du ctOS, Raymond « T-Bone » Kenney, qui vit reclus. Après avoir aidé Kenney à se débarrasser des Fixeurs à ses trousses, et à supprimer son empreinte biométrique du CtOS, Aiden le convainc de décrypter les données pour lui.
Aiden organise alors un assaut contre les quartiers d'Iraq. Il accède au serveur et récupère l'ensemble des données avant de devoir affronter Iraq et de le tuer. T-Bone commence le décryptage mais un autre hacker, Defalt, infiltre le système et vole les données puis laisse un enregistrement montrant que c'est Clara qui a dénoncé Aiden et Damien après l'affaire du Merlaut. Aiden chasse Clara de son repère avant de rejoindre Damien pour lui annoncer qu'il a perdu les fichiers. Damien met alors en ligne les preuves des activités d'Aiden, lançant la police à ses trousses.
En fuite, Aiden et T-Bone parviennent cependant à retrouver Defalt et récupérer les données volées. Entre temps, Aiden localise Nicky et la fait libérer avant de l'emmener hors de la ville avec Jackson. Il peut désormais se lancer à la poursuite du commanditaire de son assassinat : Dermot « Lucky » Quinn, chef mafieux, trafiquant d'êtres humains et propriétaire à résidence de l'hôtel Merlaut.
Aiden se lance donc seul vers l'hôtel où il se fraie un chemin jusqu'aux quartiers privés de Quinn, où il le torture en perturbant son pacemaker. Mourant, Quinn lui révèle la vérité : le fichier suspect qu'il cachait était un enregistrement du maire le montrant en train de provoquer accidentellement la mort de sa secrétaire Rose Washington alors qu'elle le menaçait de révéler ses liens avec Quinn. Grâce à cette vidéo, il manipulait le maire et pouvait utiliser le ctOS à ses fins. Il s'en est donc pris à Aiden car il avait peur qu'il lui vole l'enregistrement et qu'il manipule le maire à sa place. Après la mort de Quinn, Aiden part rejoindre Clara, traquée par les hommes de Quinn qui l'abattent avant qu'Aiden ne puisse intervenir. Il ne reste plus à Aiden qu'à retrouver Damien mais celui-ci est parvenu à débloquer le ctOS, obtenant ainsi le contrôle de toute la ville. T-Bone ne voit qu'une solution : Aiden doit utiliser les terminaux ctOS pour lancer un virus dans le réseau et forcer le redémarrage système. Alors que la ville tombe dans le blackout, Aiden rejoint Damien dans le phare de la ville, encore en fonctionnement. Malgré l'apparition de Jordi qui s'est fait payer par Damien, Aiden parvient à tuer Damien et assommer Jordi. Aiden voit alors la ville se rallumer et accepte de tenir encore son rôle de Justicier pour protéger la ville.
Après le générique, Jordi appelle Aiden une dernière fois pour lui confier le sort de Maurice. Le joueur a alors le choix de le tuer ou de l'épargner. Il charge ensuite la vidéo du maire tuant Rosa Washington, ce qui mènera à son suicide. DedSec met en ligne une vidéo où ils annoncent déclarer la guerre à la mainmise de Blume Corporation sur les données du ctOS. Plus tard, Blume Corporation annonce la mise en service du ctOS 2.0 dans d'autres villes du pays.
