События разворачиваются в альтернативной реальности, в которой Советский Союз не распадался, уже давно освоил роботостроение и производит тысячи роботов. На предприятии «3826» создавались роботы для бытовых нужд, сельского хозяйства и многие другие. По неизвестной причине роботы на объекте вышли из строя и напали на персонал. Для расследования произошедшего на объект был направлен агент главного разведывательного управления.
Игроку отводится роль — майора Сергея Нечаева, агента советской разведки, который отправляется на сверхсекретный объект, с которым внезапно прервалась радиосвязь. Для выяснения причин случившегося на «3826» и забрасывают майора, действующий под псевдонимом П-3. В основу сюжета главного героя положена любовная история. «Даже в самые тяжёлые времена разлучить влюблённые сердца невозможно», — пишут создатели в блоге, имея в виду двоих сотрудников предприятия «3826». Авторы называют протагониста «безумным», но изобретательным, поэтому без создания предметов в игре не обойдётся.
Игровой процесс представляет собой приключенческий боевик с видом от первого лица, включающий элементы RPG. Представлено разнообразное изменяемое оружие ближнего и дальнего боя. Важная составляющая Atomic Heart — открытый мир огромного комплекса «3826». Разработчики с самого начала хотели, чтобы игроки самостоятельно решали, куда двигаться и что делать. Даже более того, разработчики хотят, чтобы игроки понимали сюжет из самого игрового окружения, буквально из дизайна уровней. В игре заявлена система крафтинга, причём оружие будет собираться из всего, что попадётся под руку. Металлические части можно будет находить на уровнях, отрывать от роботов или от различных приборов — это касается как огнестрельного вооружения, так и оружия ближнего боя. В трейлере можно заметить разнообразное причудливое кустарное вооружение, явно собранное наспех. Разработчики подчёркивают, что биться врукопашную придётся часто — противников встречается больше, чем достаточных для их нейтрализации боеприпасов
