Город Кокон - это летающая утопия, парящая высоко над небом, отделенная от нижнего мира, известного как Пульс. Он был создан с целью защитить людей от фаль'Си, таинственных существ, которые живут на Пульсе. Но время от времени фаль'Си находят способы связаться с жителями Кокона, превращая их в л'Cи - воспринимаемых людьми как рабов фаль'Си, предназначенных для выполнения их приказов. Правительство Кокона, Санктум, использует свою собственную специализированную армию, известную как ПСИКОМ, для «чистки» граждан, подозреваемых в том, что они стали л'Си, и изгоняет их из Кокона.
Бывший солдат Кокона по имени Молния ищет свою сестру Серу, которую заклеймили как л'Си. Ее невеста Сноу, лидер группы повстанцев, выступающих против Чистки, встречает Молнию и нескольких других товарищей, когда они отправляются в жилище фаль'Си, чтобы спасти Сэру. Однако, выполнив свою неизвестную миссию с фаль'Си, Сэра превращается в кристалл. Ее последние слова Молнии и Снегу - «спасти Кокон». Преисполненные решимости узнать, что именно фаль'Си хотел от Сэры, герои пытаются связаться с фаль'Си и в результате сами превращаются в л'Си, не зная, в чем может закончиться их миссия ...
Final Fantasy XIII отказывается от концепции своего предшественника о битвах, происходящих на одном экране с исследованием, вместо этого возвращается к старым отдельным экранам сражений, запускаемых при контакте с врагом на поле, как в играх Xenosaga. Система Active Time Battle из предыдущих игр Final Fantasy возвращается с некоторыми изменениями. В бою игрок управляет только одним персонажем; двум другим следует присвоить образцы поведения, называемые парадигмами. Команды и атаки теперь можно складывать в боевые слоты, что позволяет использовать несколько команд за один ход для разрушительного комбо. Эти команды заполняются на основе стоимости ATB, что устраняет необходимость в MP. Кроме того, здоровье всей группы восстанавливается перед каждым боем, поскольку магию нельзя использовать вне боя. Призывы, которые популярны в серии FF, возвращаются с именем Эйдолоны, и каждый I'Cie имеет один. Рост персонажа управляется с помощью системы под названием Кристариум, в которой игрок может выбирать способности для изучения или параметры для улучшения.