Действие игры происходит сразу после событий Killzone 2. Силы ISA начали атаку на Хелган, родную планету хелгастов, и в процессе уничтожили императора Визари. Игра продолжается с того момента, как оставшиеся войска, находящиеся перед дворцом Визари, отступают к остальному флоту и покидают планету. Игрок снова берет на себя роль сержанта Томаша Севченко, вместе со своим товарищем по оружию, сержантом Рикардо Веласкесом. Отступая под командованием капитана Джейсона Нарвила, войска сталкиваются с сильным сопротивлением хелгастов. В процессе Рико не подчиняется прямому приказу и отделяется с Севом, чтобы попытаться спасти группу солдат, прижатых плотным огнем противника. Через шесть месяцев после этого флот ISA вернулся на Землю, а те немногие солдаты, которые не добрались до нее, были либо заключены в тюрьму, либо скрывались. Тем временем сенат Хелгаста проголосовал за нового лидера - адмирала Орлока, что побудило председателя Джорхана Шталя уйти и решить взять дело в свои руки, разработав новое смертоносное оружие и в конечном итоге попытаться уничтожить родную планету врага - Землю. Вопреки всему Рико и Сев решают спасти всех заключенных и остановить вражеский флот на пути к Земле.
По сравнению с приквелом в игру было внесено несколько улучшений, и это видно по более плавному и сбалансированному игровому процессу. Как и в предыдущей игре, вы будете командовать различными турелями и транспортными средствами, что увеличит огневую мощь, но оставит вас с рельсовым геймплеем. Одним из новых видов оружия является реактивный ранец, который позволяет прыгать и полулетать с неограниченным количеством патронов, являясь частью нового экзоскелета. Окружающая среда иногда может быть разрушена или использована в ваших интересах, стрельба по бочкам или определенным растениям уничтожит ближайших вражеских солдат. Помимо однопользовательской кампании, Killzone 3 предлагает обновленную версию мультиплеера Killzone 2. Игра также является первой во франшизе, поддерживающей 3D-телевизоры.