A história de Metal Gear Solid acontece alguns anos depois de seu antecessor, Metal Gear 2: Solid Snake, em 2005, e dois anos antes de Metal Gear Solid 2: Sons of Liberty, onde uma unidade de forças especiais geneticamente modificada, a FOXHOUND, lidera uma revolução nuclear em uma ilha remota do Alaska chamada Ilhas Fox. Esta ilha, de codinome "Shadow Moses", é o local de uma instalação de armazenamento de armas nucleares. Tais forças especiais que apreenderam a ilha tomaram posse do mecha nuclear Metal Gear REX, e estão ameaçando o governo dos Estados Unidos da América com um ataque nuclear se eles não receberem os restos mortais do "mercenário lendário" Big Boss em menos de 24 horas.

Ao início do jogo, Solid Snake foi encarregado da operação a pedido do coronel Roy Campbell para infiltrar-se nas defesas dos terroristas e neutralizar a ameaça. Snake também é ordenado a localizar alguns reféns, que incluem o chefe DARPA, Donald Anderson, e o presidente da ArmsTech, Kenneth Baker. A sobrinha do coronel Campbell, Meryl Silverburgh, também está aprisionada na instalação depois de ter recusado a se juntar à revolta. Snake chega à instalação e vê Liquid Snake partindo num hind. Após isto, Snake consegue entrar na instalação e recebe uma ligação do seu suposto ex-treinador, Master Miller, que lhe relembra algumas dicas de infiltração. Eventualmente, ele consegue localizar o chefe DARPA em uma cela. Donald informa a Snake que a nova unidade do Metal Gear REX está armazenada na instalação e lhe diz como ele pode prevenir o seu lançamento usando um código secreto de detonação. Com isso, de repente, Donald morre, aparentando ter sofrido um ataque cardíaco. Meryl, que está presa na cela ao lado, consegue se libertar e ajuda Snake em sua fuga, já que soldados inimigos foram alertados de sua presença. Snake então encontra o outro refém, Kenneth Baker, amarrado a ligas que acionariam um conjunto de C4s à explosão. Revolver Ocelot o desafia para um duelo, o qual é interrompido por um misterioso ninja ciborgue que corta fora a mão direita de Ocelot. Baker resume o projeto do Metal Gear para Snake e o aconselha a contatar Meryl, a quem ele tinha dado o PAL card que podia ser usado para impedir o lançamento. Após isto, exatamente como o chefe DARPA, Kenneth de repente sofre de um "ataque cardíaco".

Snake consegue contatar Meryl via Codec e eles planejam um encontro na área de armazenamento de ogivas da base, sob a condição de ele fazer contato com o engenheiro-chefe do Metal Gear primeiro, Hal "Otacon" Emmerich. No momento em que passa por um cânion, Snake recebe uma ligação anônima via Codec. A misteriosa voz que auto-proclama-se "Deepthroat" ("Garganta Profunda") o avisa de uma emboscada logo a frente, além de minas terrestres escondidas na neve. Vulcan Raven, usando de um tanque M1, aparece e ataca Snake, que sai vitorioso após destruir as duas metralhadoras do tanque, prosseguindo à área principal de armazenamento de ogivas. Snake consegue encontrar Otacon em seu laboratório. O ninja reaparece e Snake percebe que ele era, de fato, seu ex-aliado Gray Fox, quem ele acreditava ter matado anos atrás. Sendo o ninja derrotado, Otacon lhe explica a história do desenvolvimento do Metal Gear REX. Após isso, ele concorda em ajudar Snake a destruir o mecha, usando de uma camuflagem especial para procurar por informações e suprimentos para tal, enquanto que permanece invisível. Snake finalmente reencontra-se com Meryl, que também se junta a ele em sua missão de destruir Metal Gear e lhe dá o PAL card que Baker a tinha entregue. Quando eles procedem em busca do Metal Gear, Meryl tem sua mente controlada por Psycho Mantis e aponta sua arma contra seu parceiro. Snake a desarma e derrota Psycho Mantis que, antes de morrer, fala que viu que Snake tem um "grande lugar" no coração de Meryl após ter lido sua mente. Após eles alcançarem a passagem subterrânea, Sniper Wolf os embosca, fere Meryl e, após um breve duelo, captura Snake.

Enquanto mantido como prisioneiro, Liquid confirma a sua suspeita de que eles realmente são irmãos gêmeos. Snake é então torturado por Ocelot e o jogador pode escolher entre duas opções: dar-se por vencido ou aguentar o processo de tortura, ciente de, como Ocelot diz: "se a barra de vida chegar a zero, então o jogo está acabado", não há continues. A opção do jogador refletirá nos cursos seguintes da história no jogo. Quando Snake é levado a sua cela, ele encontra o corpo do chefe DARPA, Donald Anderson, deitado no canto; contudo, apesar de que só tinham se passado poucas horas desde que Snake o viu morrer em sua frente, o cadáver estava se decompondo como se ele já tivesse falecido há dias. Eventualmente Snake consegue escapar da cela.
Uma M61 Vulcan, arma usada por Vulcan Raven.

Quando Snake segue seu caminho à torre de comunicação da instalação, ele é emboscado por Liquid no helicóptero de ataque, o qual é sabiamente derrotado por Snake. Após isto, Snake emerge da torre para um campo aberto de neve, onde é novamente enfrentado por Sniper Wolf. Depois de uma segunda longa batalha, ela sofre ferimentos graves. Otacon, que era apaixonado por Wolf, chora aos prantos para cima de Snake após ele ter sido forçado a executá-la. Snake desce às entranhas da instalação de Shadow Moses. Lá ele começa a sua última batalha contra Vulcan Raven, que agora usa de uma M61 Vulcan para lutar. Após ser derrotado novamente, o xamã lhe revela que o homem que Snake viu morrer em sua frente não era o chefe DARPA, mas sim Decoy Octopus. Contudo, Raven não revela a causa real de tal morte. Logo após isto, Master Miller lhe liga, informando-o que a Dra. Naomi Hunter tinha infectado-o com um vírus geneticamente modificado chamado "FoxDie" durante as preparações da missão, e que estava enviando mensagens via Codec para a instalação. Campbell rapidamente ordena que ela seja presa. O vírus, designado para matar pessoas com particulares marcadores genéticos via parada cardíaca, foi responsável pelas mortes de ambos Octopus e do presidente da ArmsTech. Naomi contata Snake e confessa que ela juntou-se à missão para sabotá-la. Mas, ao tomar conhecimento do próprio passado de Snake, ela já não tinha mais o desejo de matá-lo, dizendo que tinha reprogramado o vírus.

Infiltrando-se no hangar do Metal Gear, Snake escuta Liquid e Ocelot preparando a seqüência de lançamento do Metal Gear REX. Com uma tentativa frustrada de desativá-lo, usando o PAL card, Snake ativa o Metal Gear REX. Master Miller então revela ser Liquid disfarçado. Ele então revela a Snake que sua missão inteira foi manipulada por ele para permitir o lançamento de REX. Liquid também revela que eles são produto do projeto "Les Enfants Terribles" ("Os Filhos Terríveis"), um esforço dirigido pelo governo para clonar Big Boss, que foi conduzido durante os anos 1970. Liquid explica que Solid recebeu todos os genes dominantes de Big Boss, enquanto que ele recebeu todos os recessivos. Além disso, ele também revela que a verdadeira razão de o governo tê-lo mandado lá foi que, assim, todos os membros da FOXHOUND (incluindo Snake, um ex-membro) pudessem ser mortos pelo vírus FoxDie, permitindo que o governo recupere o REX sem danos.

Liquid assume controle do Metal Gear REX e a batalha começa. Gray Fox de repente aparece, destrói o radar do REX e morre tentando defender Snake do tanque bípede. Snake consegue destruir o REX e é novamente desafiado por Liquid num combate mano a mano. Ele luta contra Liquid em cima do REX destruído e o derrota após jogá-lo de cima da cabeça do mecha. Otacon contata Snake, falando que permanecerá na instalação para ajudá-lo a escapar com Meryl de lá, ciente do ataque aéreo nuclear que supostamente viria a acontecer. Então, Meryl reúne-se a Snake e eles escapam juntos através de um túnel subterrâneo em um jipe, enquanto que Liquid aparece novamente e os persegue. Após ambos os veículos capotarem na entrada externa do túnel, Liquid chega perto de Snake lhe aponta uma arma mas, de repente, sucumbe à mercê do vírus FoxDie. O coronel Campbell, antes afastado do comando da missão, envia um ataque aéreo nuclear, com objetivo de apagar as evidências dos eventos daquele dia, e oficialmente declara Snake como morto para evitar que o governo dos Estados Unidos procure por ele novamente no futuro..Com um discurso sobre a vida e valores sociais, Snake e Meryl partem numa moto de neve.

Após os créditos finais, é revelado ao jogador que Snake na verdade era geneticamente inferior a Liquid e que possui um limite de tempo restante de vida indeterminado, até que o FoxDie o mate. É revelado também que Ocelot era um agente duplo do presidente dos Estados Unidos, George Sears (que viria a ser outro filho do projeto Les Enfants Terribles, um terceiro Snake e o verdadeiro clone geneticamente balanceado do Big Boss, Solidus). Sua intenção era obter o disco de Baker que continha as especificações do Metal Gear, entregá-lo ao presidente e matar qualquer um que soubesse de seus verdadeiros objetivos e da razão de ter "acidentalmente" matado o chefe DARPA. Tal razão é melhor explicada no último jogo canônico da série, Metal Gear Solid 4: Guns of the Patriots.