Fabuła Akcja rozpoczyna się w nieokreślonej przyszłości po wydarzeniach z poprzedniej gry – Portal. Zniszczenie GLaDOS spowodowało przebudzenie dziesiątek rdzeni osobowości. Jednym z nich jest Wheatley, który postanawia wydostać się z laboratorium Aperture Science. Aby tego dokonać, budzi Chell (bohaterkę pierwszej gry), która została zamknięta w komorze hibernacyjnej i proponuje jej wspólną ucieczkę. Jednak sztuczna inteligencja GLaDOS przetrwała i wznawia testy, które bohaterka musiała wykonywać w poprzedniej grzePortal 2 w serwisie gry-online..
Tryb kooperacji Poza trybem rozgrywki dla jednego gracza, Portal 2 oferuje tryb kooperacji. Dostępna jest w nim osobna kampania fabularna. Do jego rozegrania jest potrzebnych dwóch graczy, którzy wcielają się w roboty Atlasa i P-body. Każdy z nich dysponuje własnym urządzeniem do tworzenia portali. Ponadto gracze w celu ułatwienia współpracy mogą wykorzystać tryb podzielonego ekranu, używać minikamery pokazującej poczynania drugiego gracza oraz umieszczać ikony informujące, czego w danym momencie gracz oczekuje od sojusznika.