Die Handlung von Fallout 3 beginnt im Jahre 2277, zweihundert Jahre nach einem Atomkrieg zwischen den USA und China. Nur wenige Bürger in den Vereinigten Staaten haben die Katastrophe überlebt, da sie in Bunkern unter der Erde — sogenannten Vaults — Schutz gesucht haben. Ihr schlüpft in die Rolle einer Person, die in einer solchen Vault im Gebiet rund um Washington geboren wird. Ihr erlebt eure Kindheit und schließlich den Zeitpunkt, an dem euer Vater spurlos aus dem Bunker verschwindet. Ihr entscheidet euch ebenfalls dazu, den Schutzraum zu verlassen und gelangt so in das Ödland: Eine große, offene Welt, in der ihr die Wahl zwischen dem Verfolgen der Hauptquest oder dem Erfüllen von zahlreichen Nebenaufgaben habt.
Dabei trefft ihr auf verschiedene Fraktionen, Stämme sowie Mutanten. Ein besonderes Feature von Fallout 3 ist das V.A.T.S.-System, das die Echtzeitkämpfe anhält, damit ihr gezielt auf Körperteile schießen könnt. In der Spielwelt finden sich allerhand Hinweise auf die 50er-Jahre, so spielt der Radiosender im Spiel beispielsweise fast ausschließlich Oldies aus dieser Epoche.