Despiertas en un laboratorio y una inteligencia artificial, GladOS, te hace realizar pruebas con una pistola de portales mientras que te promete una tarta para cuando acabes. La pistola de portales puede abrir portales en ciertas superficies disparándoles. Puedes disparar dos portales que estarán interconectados. Deberás usar los portales para desplazarte y resolver los puzzles que te ofrece el juego, donde tendrás que poner cubos en botones, bolas de energía en contenedores para activar mecanismos, esquivar y inutilizar torretas y aprovechar el impulso de una caída para lanzarte a través de un portal.
Si exploras detenidamente las cámaras de pruebas, encontrarás acceso a ciertos rincones ocultos donde alguien ha escrito frases como “La tarta es una mentira” y advierten sobre GladOS. El juego culmina con el enfrentamiento contra GladOS para obtener la libertad.