Como o original, Left 4 Dead 2 se passa durante um apocalipse zumbi, e foca em quatro sobreviventes lutando contra hordas dos Infectados. Os sobreviventes devem abrir seu caminho através dos níveis, parando nos abrigos que servem como checkpoints, com a chegada sendo um veículo de resgate no final da campanha. A jogabilidade é alterada por uma inteligência artificial chamada de "Director", que monitora a performance dos jogadores e altera o cenário para produzir um desafio dinâmico para os jogadores conforme eles progridem. Novidades serão introduzidas, como novos tipos de Infectados, armas de combate corpo-a-corpo, e uma história que conecta as cinco campanha dos jogos.
Como Left 4 Dead, a sequência envolve uma pandemia apocalíptica. Um misterioso patógeno começou a se espalhar pelo sul dos Estados Unidos levando os humanos infectandos a se comportarem como zumbis. Os quatro sobreviventes devem lutar contra a horda de infectados. Left 4 Dead 2 se passa no sul dos Estados Unidos, começando em Savannah, Georgia e acabando em Nova Orleans, Louisiana.[1][2] Os personagens do jogo original foram substituídos por novos quatro sobreviventes, cujas histórias são reveladas através dos diálogos. Ao contrário do primeiro jogo onde não houve desenvolvimento significativo da história, Left 4 Dead 2 possui uma história de fundo.
O enredo é similar ao de Left 4 Dead, ele envolve as consequências da infecção uma semana após os eventos do jogo anterior, se passando cerca de três semanas após a primeira infecção.
A história começa por volta do meio-dia em Savannah, na Georgia. Com os helicópteros de resgate começando a deixar os edifícios, quatro sobreviventes (Ellis, Coach, Rochelle, e Nick) tiveram que subir um hotel para pedir ajuda, porém tiveram o azar de serem deixados para trás por apenas alguns segundos de atraso. Com a situação recente, o grupo decide ir para um shopping depois de ouvirem que lá existe outro Centro de Evacuação ainda em operação. Quando o grupo chega ao shopping, eles descobrem que ele está totalmente aberto e cheio de infectados. Num ato de desespero, eles decidem avançar pelo prédio, na esperança de que o Centro de Evacuação esteja simplesmente nos níveis mais profundos do shopping. Acontece que o centro foi dizimado e todos os agentes da CEDA estão mortos ou infectados. Em desespero, o grupo corre pelo átrio do shopping e encontra um stock car em funcionamento, porém sem gasolina. Uma nova idéia surge na cabeça deles: sair pelo do átrio em busca de latões de gasolina, com a finalidade de encher o tanque do carro. Depois de uma desesperada busca o grupo consegue abastecer o carro e fugir de Savannah, pretendendo viajar até Nova Orleans.
Durante a fuga, o grupo para em uma ponte levantada por três dos sobreviventes do jogo anterior. Um deles atende os sobreviventes e lhes informa que eles não podem baixar a ponte para o grupo porque o gerador utilizado está sem combustível, e que um deles está ferido. Depois de batalharem com uma Noiva Witch através das ruas, e de um "esgoto histórico", os sobreviventes se encontram com os outros três novamente do outro lado. Após os três sobreviventes originais concordarem em ajudar a defendê-los do terreno alto, o grupo de Savannah é capaz de afastar a maioria dos infectados, encontram latas de gasolina, enchem o gerador, atravessam a ponte e a abaixam, conseguindo partir no carro, enquanto trocam despedidas, dando finalmente continuidade a viagem à Nova Orleans.
O carro de fuga continua funcionando bem até que os sobreviventes descobrem que a estrada está bloqueada por vários veículos abandonados, e esse engarrafamento parece se estender por kilômetros. Não encontrando outra maneira de passar, os sobreviventes decidem deixar o carro e continuar a pé. Quando eles estão abaixo de um viaduto, vêem holofotes a uma linha consideravel de distância. Na esperança de encontrarem algumas pessoas não infectadas, o grupo então decide seguir na direção de onde vem a luz. Chegando lá eles descobrem que os holofotes estavam vindo da feira e do parque de diversões Whispering Oaks, que agora é um terreno de caça para um grande número de pessoas infectadas. Os sobreviventes vagam pelo parque por bastante tempo até que, por fim, eles vêem um helicóptero sobrevoando a área. Recém-inspirados, eles decidem ativar os componentes eletrônicos do show de rock criado para a banda The Midnight Riders na esperança de que a música alta e a grande pirotecnia irá atrair a atenção do piloto do helicóptero. Quando eles finalmente entram no anfiteatro, eles ativam os controles e o som acaba conseguindo atrair o piloto do helicoptero e, junto dele, uma enorme quantidade de infectados. Após muita luta, o helicóptero finalmente chega e os resgata, e os sobreviventes escapam do parque abandonado.
Mas mais uma vez, a sorte não está do lado deles, e o helicóptero faz um pouso forçado após o piloto do helicóptero tornar-se um infectado e ser morto por um dos sobreviventes. Os sobreviventes saem do helicóptero destruído e descobrem que eles desembarcaram em um pântano. Eles passam por uma pequena aldeia e presumem que o povo decidiu agir por conta própria, tomaram medidas preventivas e barricarem-se em suas casas contra os infectados. Sem qualquer outra opção, os sobreviventes decidem tentar encontrar as áreas barricadas. Eles viajam pelo pântano, lutando contra numerosos infectados, e encontram um avião que acabou caindo a caminho de uma área segura. Quando chegam lá, eles descobrem que os habitantes da cidade foram dizimados pela infecção, mas a sorte acaba por estar do lado deles no momento em que encontram o que alguém escreveu em um muro sobre uma antiga casa de fazenda e um cais próximo. Os sobreviventes vão em direção da fazenda e, lá, acabam encontrando um rádio e o usam para entrar em contato com um homem chamado Virgil, que tem um barco mais abaixo no rio. Virgil e o grupo têm uma pequena discussão via rádio e os sobreviventes lhe dizem que eles estão em uma antiga fazenda abandonada. Virgil decide ir ao local e começa a navegar até lá. Depois dos sobreviventes combaterem algumas hordas de infectados, Virgil finalmente chega e destroe as portas que bloqueavam o caminho dos sobreviventes para o rio, os sobreviventes correm e conseguem embarcar no barco em segurança.
No entanto, ao longo do caminho, o barco de Virgil começa a ficar com pouco combustível, por isso ele deixa os sobreviventes na pequena cidade de Ducatel, na costa do rio Mississippi, com instruções para que eles peguem diesel para o barco em um posto de gasolina que fica logo depois de um milharal do outro lado da cidade. Infelizmente, os sobreviventes esquecem as suas armas, e tem que viajar duas milhas a leste, passando através de uma usina de açúcar abandonada e infestada de Witches para pegar a gasolina. E pior ainda, eles, infelizmente, vão ter de voltar todo o caminho de volta no meio de uma chuva torrencial. A mala esquecida de armas também continha os sinalizadores que seriam usados para chamar Virgil. Então, eles decidem usar como sinal o Burger Tank perto da doca. Eles, mais uma vez, precisam se defender contra hordas de infectados até que Virgil finalmente chega para resgatá-los.
Enfim, Virgil chega e resgata os sobreviventes, deixando-os, horas depois, em um cais de Nova Orleans (onde parece que os militares ainda estão evacuando sobreviventes). Ele então sai, dizendo que ele está a caminho para encontrar outros sobreviventes. O grupo de sobreviventes, em seguida, luta contra mais infectados traçando seu caminho perto do mar, em um parque, um cemitério, e de um bairro francês, chegando a uma ponte elevadiça a poucos minutos de ser bombardeada pelos militares. Do outro lado da ponte há um helicóptero militar prestes a sair. Os sobreviventes conseguem manter contato com os militares por meio de um rádio e, em seguida, atravessam a ponte para o piloto do helicóptero que os transporta para um cruzeiro militar.
O que acontece com os sobreviventes após isso fica inexplicado. Chet Faliszek, o escritor do jogo, falou que os militares estão levando os sobreviventes para navios tentando escapar da infecção.
