Дія гри розгортається відразу після подій Killzone 2. Сили ISA починають штурм Хельгана, рідної планети Хельгаста, і в процесі ліквідують імператора Візарі. З цього моменту гра продовжується, оскільки війська, що залишилися перед палацом Візарі, відступають до решти флоту і залишають планету. Гравець знову бере на себе роль сержанта Томаша Севченка разом зі своїм бойовим товаришем, сержантом Рікардо Веласкесом. Відступаючи під командуванням капітана Джейсона Нарвілла, війська наштовхуються на запеклий опір хельгастів. В процесі Ріко не підкоряється прямому наказу і відокремлюється разом з Севом, щоб спробувати врятувати групу солдатів, притиснутих шквальним вогнем противника. Через шість місяців після цього флот МСА повернувся на Землю, а ті кілька солдатів, що не долетіли до неї, були або ув'язнені, або переховувалися. Тим часом сенат Хельгаста обрав адмірала Орлока новим лідером, що змусило голову Йорхана Стала піти у відставку і вирішити взяти справу в свої руки, розробивши нову смертоносну зброю і, врешті-решт, спробувати знищити рідну планету ворога - Землю. Всупереч усьому, Ріко і Сев вирішують врятувати всіх ув'язнених і зупинити ворожий флот на шляху до Землі.
У порівнянні з приквелом в гру було внесено кілька поліпшень, і це видно по більш плавному і збалансованому геймплею. Як і в попередній грі, ви будете командувати різними баштами і транспортними засобами, які додадуть вам вогневої потужності, але залишать вам керований рейками геймплей. Одним з нових видів зброї є реактивний ранець, який дозволяє стрибати і напівлітати з необмеженим запасом боєприпасів як частина нового екзоскелету. Навколишнє середовище іноді можна зруйнувати або використати на свою користь, вистріливши в бочки або певні рослини, які знищать ворожих солдатів, що знаходяться поблизу. Окрім однокористувацької кампанії, Killzone 3 пропонує оновлену версію багатокористувацької гри Killzone 2. Гра також є першою у франшизі з підтримкою 3D-телевізорів.