Сюжет Atomic Heart повествует об альтернативном мире, в котором в СССР в 50-х годах сделали ставку на развитие робототехники и добились впечатляющих успехов - очень скоро роботы проникли во все сферы жизни человека, сделав эту самую жизнь гораздо комфортнее - ручной труд быстро ушел в прошлое.
События разворачиваются на территории секретного "Предприятия 3826", которое как раз и было главным в разработке этих чудес техники. Импульсом для такого прорыва стало открытие жидкого программируемого модуля "Полимера". Спустя несколько лет все так же началась Вторая мировая война, как и в реальности, в ней точно так же СССР одержал победу, однако враги незадолго до поражения выпустили вирус коричневой чумы, что уничтожило миллионы людей. Во всем мире резко подскочил спрос на роботов, дабы заменить рабочие руки, которые стали импортироваться во многие страны мира. При послевоенном распоряжении "Предприятие 3826" усилиями своего ведущего инженера Сеченова создает беспроводной искусственный интеллект "Коллектив 1.0", объединяющий роботов для их большей эффективности.
Впоследствии система была усовершенствована до версии "2.0" и должна была даже объединиться с нейроконнекторами роботов, однако именно с того момента все пошло не так, а Предприятие погружается в дикий хаос, с которым предстоит разобраться главному герою.