Fallout 3 lấy bối cảnh hậu tận thế sau cuộc chiến tranh hạt nhân với thế giới đã bị hủy diệt sau Cuộc Chiến Vĩ Đại chỉ diễn ra trong vài giờ vào nửa cuối thế kỷ 21, lấy thời điểm năm 2277 tức 36 năm sau những sự kiện diễn ra ở Fallout 2.
Người chơi sẽ vào vai một người dân đang sinh sống trong hệ thống đường hầm Vault 101, một trong những hệ thống được xây dựng để làm nơi cư ngụ cho 1.000 người để tránh sự tuyệt diệt khi cuộc chiến hạt nhân xảy ra. Khi người cha của nhân vật biến mất trong một tình huống bí ẩn, thì người chơi sẽ bắt đầu cuộc chạy trốn ra khỏi hệ thống dường ngầm để lên mặt đất nơi mà chỉ còn là một mảnh đất hoang với những sinh vật đột biến nguy hiểm cùng những người sống sót thù địch để bắt đầu chuyến phiêu lưu tìm lại cha của mình.
Với bối cảnh tại Washington, D.C vốn chỉ còn là một đống phế tích khi đó, người chơi sẽ phải đi qua nhiều khu vực khác nhau đến những nơi có cư dân sinh sống để tìm hiểu tin tức về cha của mình. Yếu tố hành động của trò chơi thể hiện thông qua những cảnh chiến đấu với các loại vũ khí khác nhau cũng như bắn súng với góc nhìn thứ nhất hay thứ hai và yếu tố nhập vai thể hiện qua hệ thống giao tiếp cũng như lên cấp sau khi hoàn thành nhiệm vụ hoặc chiến thắng trong một trận chiến. Ngoài ra trò chơi cũng có yếu tố chiến thuật với hệ thống chiến đấu V.A.T.S hỗ cho người chơi trong những tình huống nguy cấp, trong hệ thống này các cảnh chiến đấu sẽ sử dụng hiệu ứng giống như phim với cảnh viên đạn rời khỏi nòng súng, những vũ khí được ném đi và bay đến mục tiêu hay nhân vật chính sẽ xông vào cận chiến… Trong trò chơi người chơi cũng sẽ có được sự hỗ trợ của những người bạn đồng hành (nếu muốn) và mỗi nhân vật sẽ có một khả năng khác nhau cũng như cũng sẽ có kết thúc riêng.
