Pemain memulai permainan dengan mengendalikan Roxas, seorang anak laki-laki berusia 15 tahun yang tinggal di kota bernama Twilight Town. Dia sedang berlibur musim panas bersama tiga sahabatnya, Hayner, Pence, dan Olette. Seiring berjalannya waktu seminggu, hal-hal aneh mulai terjadi. Seorang pria bernama Axel, anggota Organisasi XIII yang ada di Chain of Memories, muncul dan terkejut dan kesal karena Roxas tidak mengingatnya. Mereka bertarung, dan Roxas menemukan bahwa dia bisa menggunakan Keyblade. Roxas juga bertemu dengan Naminé dan seorang pria bernama DiZ yang berada di pihak Riku dalam Chain of Memories. Naminé memberitahu Roxas bahwa dia telah mengubah ingatannya sehingga dia bisa menjadi "utuh" lagi. Axel mengatakan kepada Roxas bahwa mereka dulunya berteman dan bahwa dia harus membawa Roxas kembali ke Organisasi atau menghancurkannya. Mereka bertempur, dan Axel menghilang. Roxas kemudian menemukan Sora, dan menghilang sendiri.
Setelah Roxas menghilang, Sora bangun dan menjadi karakter pemain baru. Donald dan Goofy juga bangun, dan mereka bertiga melanjutkan misi mereka untuk menemukan Riku. Saat mereka mencarinya, mereka bertemu dengan anggota Organisasi XIII lainnya dan mengetahui bahwa mereka adalah makhluk yang disebut Nobody. Ketika Heartless mencuri hati seseorang, orang itu juga menjadi Heartless, tetapi jika hati mereka kuat, tubuh mereka menjadi Nobody. Nobody tidak memiliki emosi, tetapi ingin memiliki hati lagi. Xemnas, pemimpin Organisasi XIII, mencoba memanggil Kingdom Hearts, yang ia klaim akan memungkinkan Nobody untuk mendapatkan hati mereka kembali. Untuk memanggil Kingdom Hearts, Heartless harus dibunuh dengan Keyblade, yang akan melepaskan hati yang mereka pegang dan membiarkan mereka kembali ke Kingdom Hearts. Inilah alasan Organisasi menginginkan Sora untuk bergabung dengan mereka.
Kemudian terungkap bahwa Roxas adalah Nobody Sora, dan merupakan anggota Organisasi XIII. Roxas diciptakan ketika Sora kehilangan hatinya secara singkat di Kingdom Hearts. Naminé kemudian terungkap sebagai Nobody Kairi, yang diciptakan ketika Kairi kehilangan hatinya di awal Kingdom Hearts. Xemnas adalah Nobody dari seorang pria bernama Xehanort, yang sudah tidak ada lagi. Ansem, musuh utama dari game pertama, adalah Heartless milik Xehanort.
Menjelang akhir permainan, Sora, Kairi dan Riku bersatu kembali dan menghancurkan Xemnas. Dengan semua anggota Organisasi XIII dihancurkan dan dunia tampaknya aman, Sora, Riku, dan Kairi pulang ke Destiny Islands.
