Технически являясь шутером, сама игра представляет собой головоломку, где игрок, в шкуре женского персонажа по имени Челл, вынужден бегать по лабиринтам и рeшать поставленные ему задачи. Используя портал-ган, игрок «выстреливает» по двум пригодным для создания портала поверхностям, создавая квантовую аномалию, позволяющую ему мгновенно перемещаться между двумя точками пространства или, если быть точным, связывать эти две точки пространства.
Сюжет чем-то напоминает сюжет серии Кубиниады и Пилы, где главный герой непонятно зачем, под чутким руководством немного садистского суперкомпьютера GLaDOS (AI женского пола, на которую персонал лаборатории добровольно-принудительно переложил обязанности испытания порталганов, за что GLaDOS "отблагодарила" своих создателей) рискует своим здоровьем и жизнью ради науки и на "благо" всего прогрессивного человечества (или той части, что ещё живы).