Игра является приквелом Deus Ex, её действие разворачивается в 2027 году, за четверть века до событий оригинальной игры. Главный герой Адам Дженсен — начальник службы безопасности детройтской компании «Шариф Индастриз», одного из ведущих мировых производителей механическихимплантатов для людей. Его подруга Меган Рид — ученый, чьи работы обещают победить отторжение имплантированных устройств, сделав их доступными для всех и преодолев негативное отношение общества к имплантатам. На штаб-квартиру «Шариф Индастриз» нападают неопознанные террористы; участники проекта, в том числе и Меган Рид, считаются погибшими, а Дженсен оказывается сильно искалечен, и ему пересаживают ряд имплантатов, в том числе механические руки, ноги и искусственные глазные яблоки^[16].

Вернувшись спустя полгода на службу, Дженсен пытается остановить уже других террористов из экстремистского движения «За чистоту», напавших на завод «Шариф Индастриз». Он обнаруживает, что, вопреки всем воззрениям экстремистов, один из них имел имплантаты, и им управляли на расстоянии. Расследуя вторжение в корпоративную сеть «Шариф Индастриз», Дженсен обнаруживает в детройтских трущобах концентрационный лагерь, управляемый агентством ФЕМА, и в нем — тех самых неопознанных террористов, что напали на штаб-квартиру «Шариф Индастриз» полгода назад. Дженсен сражается с одним из них, Барретом, который уверяет, что и за ними, и за ФЕМА стоят некие высшие силы.

По наводке Баррета Дженсен отправляется в Хэнша, высокотехнологичный мегаполис в КНР. Здесь он находит укрываемого мафиозными триадамиголландского хакера ван Брюггена и узнает, что тот работал на компанию «Тай-Юн Медикал» (ТЮМ), главного конкурента «Шариф Индастриз». Проникнув в небоскреб ТЮМ и столкнувшись с главой компании Чжао Юньжу, Дженсен находит подтверждение своим догадкам: ученые «Шариф Индастриз» были не убиты, а похищены, и в этом была замешана Элиза Кассан, принадлежащая к числу самых авторитетных журналистов мира.

Дженсен отправляется в Монреаль, в штаб-квартиру медиакомпании «Пик». Здесь он обнаруживает, что Элиза Кассан — не живой человек, а искусственный интеллект, тем не менее, действительно участвовавший в заговоре. Дженсен узнает, что с похищением ученых был связан доктор Исайя Сандоваль, член борющегося с технологией имплантатов «Фронта человечества» и ближайший сподвижник главы фронта Уильяма Таггарта. В охваченном беспорядками Детройте Дженсен находит Сандоваля и узнает, что «Фронт человечества» и движение «За чистоту» связаны гораздо сильнее, чем казалось: Сандоваль и лидер экстремистов Зик Сандерс — родные братья. Более того, за ними, как и за корпорациями, стоит теневое мировое правительство — Иллюминаты.

Обнаружив сигнал имплантата одного из похищенных ученых, Василия Шевченко, Дженсен возвращается в Хэнша, где вертолет «Шариф Индастриз» сбивают наемники из частной военной компании «Беллтауэр». Дженсен узнает, что его цель была ложной — руку-имплантат Шевченко вместе с передатчиком приживил себе мафиозный босс Тонг Си Хунг. Тем не менее, китаец сообщает, что получил ее от «Беллтауэр»: наемники похищают в Хэнша людей и куда-то увозят. Дженсен пробирается в порт и в грузовом контейнере попадает в секретную лабораторию «Беллтауэр» в Сингапуре.

Здесь Дженсен находит Меган Рид и других считавшихся погибшими ученых, а также Чжао Юньжу. Они разрабатывали новую технологию, позволявшую через вживленный чип управлять поведением людей с имплантатами; такой же чип мог в зависимости от выбора игрока вживить себе Дженсен. За этим проектом стоит Хью Дэрроу, нобелевский лауреат, создатель технологии имплататов и бывший крупнейший акционер «Шариф Индастриз». Дэрроу, разочаровавшийся в своем изменившем мир творении, хочет уничтожить его — под действием чипа люди с имплантатами превращаются в безумных зомби.

На личном космическом шаттле Дэрроу Дженсен отправляется на «Панхею» — огромное геоинженерное сооружение в Арктике, призванное остановить глобальное потепление. Здесь Дэрроу проводит пресс-конференцию с участием мировых лидеров; распространенный на вживленные чипы сигнал инициирует на станции бойню. Дженсен сталкивается с Чжао Юньжу, подключившейся к управляющему станциейквантовому суперкомпьютеру «Хирон», и вынужден убить ее. В финале игры он, в зависимости от выбора игрока, может распространить с радиопередатчика «Панхеи» одно из трех посланий: либо признание Дэрроу, способное ввергнуть мир в хаос, либо обращение Дэвида Шарифа, обвиняющее в произошедшем борцов с имплантатами и открывающее корпорациям путь в золотой век технологий, либо обращение Уильяма Таггарта, ведущее к свертыванию технологии имплантатов и прекращению считавшихся неизбежными перемен, или же Дженсен может уничтожить «Панхею», погибнув вместе с ней и оставив человечество в счастливом неведении.

В сцене после титров звучит разговор персонажей Deus Ex — Боба Пейджа и Моргана Эверетта — с Меган Рид, перекидывающий мостик между приквелом и первой игрой серии.