Akcja gry toczy się w roku 2277, 200 lat po nuklearnej zagładzie, która zniszczyła Ziemię. Gracz wciela się w postać Wybrańca, który opuszcza swoją kryptę w Waszyngtonie D.C. i wyrusza na Pustkowie w poszukiwaniu swojego ojca. W trakcie swojej podróży odkrywa mroczne tajemnice Pustkowia i staje przed wyzwaniem ocalenia ludzkości przed nowym zagrożeniem.
Fallout 3 oferuje ogromny, otwarty świat do odkrycia. Gracz może swobodnie eksplorować Pustkowie, odwiedzając zrujnowane miasta, opuszczone miasteczka i inne lokacje. W trakcie swojej podróży napotka na wiele postaci, zarówno przyjaznych, jak i wrogich. Będzie musiał walczyć z mutantami, bandytami i innymi niebezpiecznymi stworzeniami.
Gra zawiera rozbudowany system rozwoju postaci. Gracz może zdobywać doświadczenie i awansować na wyższe poziomy, co pozwala mu na rozwijanie swoich umiejętności i atrybutów. Może również zdobywać i ulepszać broń, pancerz i inne przedmioty.