Der Spieler beginnt das Spiel und kontrolliert Roxas, einen 15-jährigen Jungen, der in einer Stadt namens Twilight Town lebt. Er ist mit seinen drei besten Freunden, Hayner, Pence und Olette, in den Sommerferien. Im Laufe einer Woche geschehen merkwürdige Dinge. Ein Mann namens Axel, ein Mitglied der Organisation XIII, der in Chain of Memories war, taucht auf und ist überrascht und verärgert, dass Roxas sich nicht an ihn erinnert. Sie streiten sich, und Roxas entdeckt, dass er ein Keyblade benutzen kann. Roxas trifft auch Naminé und einen Mann namens DiZ, der auf Rikus Seite von Chain of Memories stand. Naminé erzählt Roxas, dass sie seine Erinnerungen verändert hat, damit er wieder "ganz" werden kann. Axel erzählt Roxas, dass sie früher Freunde waren und dass er Roxas entweder zurück zur Organisation bringen oder ihn zerstören muss. Sie kämpfen, und Axel verschwindet. Roxas findet dann Sora und verschwindet selbst.
Nachdem Roxas verschwunden ist, wacht Sora auf und wird zum neuen Spielercharakter. Donald und Goofy wachen ebenfalls auf, und die drei setzen ihre Mission fort, Riku zu finden. Auf der Suche nach ihm treffen sie auf die übrigen Mitglieder der Organisation XIII und erfahren, dass sie Wesen sind, die Nobodies genannt werden. Wenn ein Herzloser jemandem das Herz stiehlt, wird diese Person ebenfalls ein Herzloser, aber wenn ihr Herz stark ist, wird ihr Körper zu einem Niemand. Niemand hat keine Emotionen, möchte aber wieder ein Herz haben. Xemnas, der Leiter der Organisation XIII, versucht, Königreichsherzen zu beschwören, von denen er behauptet, dass sie es den Nobodys ermöglichen, ihre Herzen zurückzubekommen. Um Königreichsherzen zu beschwören, müssen die Herzlosen mit einer Schlüsselklinge getötet werden, die die Herzen, die sie halten, freigibt und sie zu den Königreichsherzen zurückkehren lässt. Dies ist der Grund, warum die Organisation wollte, dass Sora sich ihnen anschließt.
Später wird enthüllt, dass Roxas Soras Nobody ist und Mitglied der Organisation XIII war. Roxas wurde geschaffen, als Sora kurzzeitig sein Herz in Kingdom Hearts verlor. Naminé wird dann als Kairis Nobody enthüllt, der geschaffen wurde, als Kairi zu Beginn von Kingdom Hearts ihr Herz verlor. Xemnas ist der Niemand eines Mannes namens Xehanort, der nicht mehr existiert. Ansem, der Hauptgegner aus dem ersten Spiel, war Xehanorts Herzloser.
Gegen Ende des Spiels vereinen sich Sora, Kairi und Riku wieder und zerstören Xemnas. Nachdem alle Mitglieder der Organisation XIII zerstört und die Welten scheinbar sicher sind, kehren Sora, Riku und Kairi auf die Schicksalsinseln zurück.
