De speler begint het spel met het besturen van Roxas, een 15-jarige jongen die in een stad woont die Twilight Town heet. Hij is op zomervakantie met zijn drie beste vrienden, Hayner, Pence en Olette. Als een week voorbij gaat, beginnen er vreemde dingen te gebeuren. Een man genaamd Axel, een lid van Organisatie XIII die in Chain of Memories zat, komt opdagen en is verbaasd en overstuur dat Roxas zich hem niet meer herinnert. Ze vechten, en Roxas ontdekt dat hij een Keyblade kan gebruiken. Roxas ontmoet ook Naminé en een man genaamd DiZ die aan Riku's kant van Chain of Memories stond. Naminé vertelt Roxas dat ze zijn herinneringen heeft veranderd zodat hij weer "heel" kan worden. Axel vertelt Roxas dat ze vroeger vrienden waren en dat hij Roxas ofwel terug naar de Organisatie moet brengen ofwel hem moet vernietigen. Ze vechten, en Axel verdwijnt. Roxas vindt dan Sora, en verdwijnt zelf.
Nadat Roxas verdwijnt, wordt Sora wakker en wordt het nieuwe spelerspersonage. Donald en Goofy worden ook wakker, en de drie van hen gaan verder met hun missie om Riku te vinden. Terwijl ze hem zoeken, ontmoeten ze de rest van de leden van Organisatie XIII en leren ze dat ze wezens zijn die Nobodies heten. Wanneer een Heartless iemands hart steelt, wordt die persoon ook een Heartless, maar als hun hart sterk is, wordt hun lichaam een Nobody. Niemand heeft geen emoties, maar wil weer een hart hebben. Xemnas, de leider van Organisatie XIII, probeert Koninkrijksharten op te roepen, waarvan hij beweert dat ze de Nobodies in staat zullen stellen hun harten terug te krijgen. Om Koninkrijksharten op te roepen, moet Harteloos worden gedood met een Keyblade, die de harten die ze vasthouden zal bevrijden en hen zal laten terugkeren naar Koninkrijksharten. Dit is de reden waarom de Organisatie wilde dat Sora zich bij hen zou aansluiten.
Later wordt geopenbaard dat Roxas de Niemand van Sora is, en lid was van Organisatie XIII. Roxas is ontstaan toen Sora kortstondig zijn hart verloor in Kingdom Hearts. Naminé wordt dan geopenbaard als Kairi's Nobody, die werd gecreëerd toen Kairi haar hart verloor aan het begin van Kingdom Hearts. Xemnas is de Nobody van een man genaamd Xehanort, die niet meer bestaat. Ansem, de belangrijkste vijand uit het eerste spel, was Xehanort's Heartless.
Tegen het einde van het spel, Sora, Kairi en Riku herenigen en vernietigen Xemnas. Met alle leden van Organisatie XIII vernietigd en de werelden blijkbaar veilig, Sora, Riku en Kairi gaan terug naar de Destiny Eilanden.
