Die Einzelspieler-Kampagne von Doom spielt in der Zukunft auf dem Planeten Mars, wo die Union Aerospace Corporation (UAC) verschiedene Forschungseinrichtungen unterhält.
Wissenschaftlicher Leiter ist Dr. Samuel Hayden, der als Cyborg ein leidenschaftlicher Verfechter des technischen Fortschritts ist. Bei Experimenten entdecken die UAC-Wissenschaftler eine andere Dimension, bei der es sich um die Hölle handelt. Dort stoßen sie auf eine augenscheinlich unerschöpfliche Energiequelle namens Argent, die alle Energieprobleme der Menschheit lösen könnte. Außerdem entdecken sie in einem Sarkophag einen legendären Krieger, der sich in einem todesähnlichen Schlafzustand befindet. Zum Zweck der weiteren Erforschung werden sein Körper und die umgebenden Artefakte in eine UAC-Einrichtung gebracht.
Haydens Mitarbeiterin Dr. Olivia Pierce verfällt bei der Erforschung der Höllendimension immer mehr dem dämonischen Einfluss und beginnt, einen satanistischen Kult innerhalb der UAC einzurichten. Hayden lässt sie gewähren, um die Fortschritte bei der Erforschung der Argent-Energie nicht zu gefährden. Als Olivia Pierce ein Portal zur Höllendimension öffnet, kommt es zur Katastrophe und die Höllenkreaturen überrennen die Forschungseinrichtungen auf dem Mars.
Um bei den darauf folgenden Kämpfen wieder die Oberhand zu bekommen, lässt Hayden den in Stasis befindlichen legendären Krieger wiedererwecken. In der Rolle dieses Kriegers macht sich der Spieler auf, die Dämonen zu töten und das Portal zur Hölle wieder zu schließen.