游戏背景接续《地铁 2033》，阿尔乔姆（Artyom）成功导引导弹摧毁了 Dark Ones 的聚集地。《最后的曙光》时间设定在前作的一年之后，即 2034 年。大战前建造的 D6 军事基地成为 Ranger 的根据地，阿尔乔姆也成为他们的一员。

一日，Khan 来到 D6 告知阿尔乔姆仍有一个 Dark One 小孩活过了导弹攻击，而 Khan 认为 Dark Ones 是人类未来存活的关键。然而，Ranger 的领导者 Colonel Miller 持相反意见，认为他们是对人类的威胁。Miller 遂派出他的女儿，狙击手 Anna 和阿尔乔姆一起去追捕这最后一个 Dark One。……显示全部最后他们发现了这个幸存的 Dark One，他还是个小孩，在阿尔乔姆一番追捕后，Dark One 通过他的能力使阿尔乔姆昏了过去，等到阿尔乔姆醒来时，他和几个红军（The Red Line）士兵成为了纳粹帝国（Nazi Reich）的俘虏。

红军士兵中有一人叫作 Pavel Morozov，在纳粹帝国的根据地里，Pavel 和阿尔乔姆携手合作，一起逃离了帝国。在抵达了红军的地盘以后，Pavel 却令人拘捕了阿尔乔姆，成为红军的阶下囚。在阿尔乔姆逃离这里时，他得知了红军的 Korbut 将军欲攻占 D6 的计划，以及曾属 Ranger 的 Lesnitsky 携带了在 D6 发现的生化武器（病毒）叛逃来红军，而 Pavel 的任务是要追捕最后的 Dark One。阿尔乔姆最后逃出了红军的地铁站，在一番折腾后抵达 Ranger 的根据地教堂，Anna 也在该处等待阿尔乔姆。稍后，教堂遭受了 Lesnitsky 带领的士兵袭击，Anna 被俘虏，阿尔乔姆勉强逃过一劫，并在被红军用病毒攻击的 Oktyabrskaya 地铁站拯救了 Anna。之后，阿尔乔姆和 Khan 会合，两人追上红军运载 Dark Ones 的列车，在一番战斗后，阿尔乔姆找到了 Dark One 小孩，并且发现曾有 Dark Ones 在他小的时候拯救过他。

在护送 Dark One 小孩回 Polis 地铁站的途中，阿尔乔姆会先后遇到 Lesnitsky 和 Pavel，通过 Dark One 的读心术，阿尔乔姆了解到 Korbut 将军想要在占领 D6 以后使用那里的生化武器消灭所有不属于红军的地铁站。阿尔乔姆可以选择杀掉 Lesnitsky 和 Pavel，或是原谅他们。

两人抵达了 Polis，该处正在进行汉萨（Hansa）、红军、纳粹的和平会谈，Dark One 再次使用他的能力，让红军领导人 Moskvin 承认他犯的罪，以及和平会谈只是要掩护 Korbut 将军攻占 D6 的行动。阿尔乔姆、Khan、Miller 以及其他的 Ranger 急忙返回 D6，并和 Korbut 带领的军队发生激烈的战斗。在战斗的最后，Ranger 死伤惨重，一辆红军的列车撞进了 Ranger 的防线，身负重伤的阿尔乔姆从撞击的昏迷中苏醒时，Korbut 的部队已经将他们团团包围。

游戏这时依照玩家在游戏中的举动分成两个结局，一个结局中，阿尔乔姆照 Miller 的命令启动了 D6 的自毁装置，避免 Korbut 使用这里的生化武器造成一场新浩劫，而 Ranger 和在场的红军都在 D6 的爆炸中被消灭。这个结局的多年后，Anna 对阿尔乔姆的孩子讲述了他父亲的冒险。在另外一个结局中，突然出现的 Dark One 小孩阻止了阿尔乔姆启动自毁装置的举动，数名在 D6 的里休眠的 Dark Ones 也一同出现，击败了 Korbut 的军队。在两个结局中 Dark One 小孩都和其他的 Dark Ones 都一起离开了，但是他保证会回来帮助人类重建世界。