Battlefield 3 — первая игра из основной линейки игр серии Battlefield, имеющая полноценную однопользовательскую сюжетную кампанию. В интервью журналу Игромания главный дизайнер игры Патрик Бах пояснил появление сюжетной кампании изменившейся ситуацией на рынке компьютерных игр. Согласно его утверждению, игры, вообще не имеющие кампании, теперь (во время выхода игры) продаются хуже, нежели раньше.[34]

Американский морпех, Генри Блэкбэрн, на допросе в ЦРУ рассказывает агентам о человеке по имени Соломон и угрозе, которую он представляет для США. Ему обещают помочь, но Блэкбэрн должен сказать, откуда он знает о Соломоне.

История начинается в Ираке. Отряд Блэкбэрна получает приказ найти пропавший американский патруль в одном из районов небольшого городка в Сулеймании. Операция из поисковой превращается в боевую, когда группа Блэкбэрна сталкивается с вооруженными бойцами из иранской военной организции PLR (в русск. версии игры - ССО). В одного из морских пехотинцев попадает снайпер, однако Блэку удается вытащить товарища с линии огня. После того, как морпехи уничтожают противника, раненого эвакуируют. Отряд Блэка находит пропавших солдат и запрашивают поддержку, в это время повстанцы переходят в наступление, однако им не удается продвинуться к рынку, морпехи начинают одерживать верх. В это время начинается сильнейшее землетрясение, которое практически полностью разрушает часть города и приводит к гибели множества людей. Блэкбэрн выживает. К месту катастрофы прибывают многочисленные отряды PLR, однако Блэку удается пробиться к точке эвакуации и покинуть опасный регион. В день, когда произошло землетрясение, власть в Иране захватывает Фарук Аль-Башир, лидер PLR. Американское командование начинает военную операцию в Иране, цель которой - ликвидация диктатора.

Во время штурма Тегерана морпехами КМП США (операция «Гильотина»), отряд Блэкбэрна обнаруживает контейнер с атомным оружием. Однако две секции из трёх оказались пусты. Американские войска в Тегеране начинают отступать под натиском иранской армии, на помощь пехоте отправляется танковый батальон. Один из танкистов, сержант Миллер, в ходе операции попадает в плен к Фаруку Аль-Баширу. Диктатор обвиняет американцев в нападении на независимое государства, после чего Миллера убивают. Морпехи начинают продвигаться к резиденции Аль-Башира, который после неудачной попыткой побега попадает в плен к американцам. Аль-Башир умирает от полученных в ходе боя ран, перед смертью рассказав о Соломоне и его стороннике Кафарове. Выясняется, что российский торговец оружием, Амир Кафаров, нелегально продал Соломону три ядерных боеголовки. Одну из них американцы захватили в Тегеране, однако оставшиеся всё ещё представляют опасность. Охота за Кафаровым приводит к столкновению с российским спецназом, которые также получают приказ захватить Кафарова. Первым до Кафарова добираются отряд русского оперативника Дмитрия Маяковского. Морпехи терпят тяжелые потери, однако Блэкбёрн добирается до виллы Кафарова и встречает там Дмитрия. Маяковский рассказывает Блэку о Соломоне и трёх боеголовках, которые были украдены людьми Кафарова. Блэк решает поверить Дмитрию, но внезапно в комнату врывается капитан Коул. Чтобы дать Маяковскому уйти, Блэк убивает своего командира. После чего оба отправляются в Париж и Нью-Йорк соответственно с целью захватить бомбы и предотвратить катастрофу.

Во время допроса, Блэкбэрн узнает о том, что Дмитрий не смог предотвратить взрыв бомбы в Париже, жертвами теракта стали 80 тысяч человек. Агенты не верят в историю, рассказанную Блэкбэрном. По их словам Соломон является информатором ЦРУ и у Блэкбёрна нет прямых доказательств связи совершенных атак с Соломоном. Они уверены, что за террористическими актами стоят русские, а Маяковский использовал Блэкбэрна для достижения своих целей. В комнату для допроса вводят ещё одного выжившего морпеха из отряда Блэкбэрна - Дэвида Монтеса, также закованного в наручники. Вместе им удается сбежать из участка, после чего морпехи разделяются. Блэкбэрн проникает в поезд, который должен доставить атомное оружие в самое сердце Нью-Йорка. Поезд терпит крушение, однако Соломон выживает. Монтес угоняет полицейскую машину, на которой морпехи преследуют террориста. В результате дорожной аварии на Таймс-сквер машина с Соломоном переворачивается, однако тот вновь остаётся невредимым. Монтес погибает от рук Соломона, однако Блэкбэрн в схватке убивает террориста. Ядерная боеголовка в безопасности.

Игра заканчивается видеороликом. Дмитрий Маяковский сидит в комнате за столом и пишет предсмертную записку, в которой описывает последние недели своей жизни: встречу с Блэкбэрном, их попытку предотвратить теракт, а также облучение радиацией в результате взрыва бомбы в Париже. Дмитрий достаёт пистолет и заряжает его. Неожиданно раздаётся стук в дверь, в темноте слышен звук отведения затворной рамы.