Действие сиквела, как и в первоисточнике, разворачивается на станциях и перегонах московского метрополитена.
Сюжет перемещается из центральной части метро, описанной в романе «Метро 2033» за пределы Кольцевой линии (Ганзы). Главной в сюжете становится станция «Севастопольская», которая является самой южной обитаемой точкой метро. Каждый день её жители вынуждены отбивать атаки монстров — мутантов, нападающих со стороны станции «Чертановская».
Однажды караван, который должен был привезти из «большого метро» патроны и продовольствие, не вернулся. Связи с «Тульской», ближайшей обитаемой станцией, нет. Несколько человек — Гомер, Ахмед и загадочный хладнокровный «бригадир» Хантер отправляются на поиски пропавших. Ведь если связь с «Ганзой» будет прервана, то без поддержки и снабжения «Севастопольской» рано или поздно суждено пасть под натиском монстров…
На «Нагорной» персонажи попадают в туман, где из него на них нападают странные, огромные существа. Существа хватают Ахмеда на глазах у Гомера и исчезают. Оставшиеся в живых достигают «Тульской», но там после короткого разговора с Хантером и перестрелки закрывают гермоворота, отрезая «Севастопольскую» от остального метро. «Бригадир» говорит, что станция захвачена кочевниками (все население вырезали качевники-бандиты) и собирается по возвращении организовать штурм с огнемётами, но старик Гомер всё меньше ему верит.
Для организации штурма Хантер должен попасть в Полис, в штаб секретной организации по защите населения метро — Орден (Орден "Спарта"), который возглавляет Мельник. Для этого герои должны пройти всю Каховскую линию, где упал фрагмент неразорвавшейся боеголовки. Пройдя через туннели в костюмах высокой защиты, они попадают на станцию «Коломенская», где встречают Сашу — дочь бывшего коменданта «Автозаводской», которого после революции на станции вместе с дочерью отправили в ссылку на «Коломенскую». Вынужденный заниматься сталкерством, он, почти не защищенный, в конце концов погибает от ран, полученных от укусов мутировавших собак с поверхности. Его ослабленный лучевой болезнью организм не выдержал ран.
Каждую неделю на станцию прибывает дрезина с торговцами, за бесценок скупающими найденные сталкером вещи. Надеющаяся покинуть на ней «Коломенскую», Саша ждет транспорт, но вместо торговцев прибывает давний враг Сашиного отца. От его расправы Александру и спасают прибывшие Хантер и Гомер. Саша отправляется вместе с ними в Полис. Хантер явно не рад новой спутнице и хочет поскорее от неё избавиться.
В Полис есть один путь — через «Автозаводскую», но Саша боится, что её, как изгоя, не пропустят туда. Гермоворота в туннеле закрыты, и герои остаются ждать, пока их не откроют торговцы.
Из дневника связиста каравана «Севастопольской», найденного на «Нахимовском проспекте», Гомер узнает, что на «Тульской» началась эпидемия, и ему становится понятно, зачем Хантеру нужны огнеметчики.
Вскоре гермоворота «Автозаводской» открывают солдаты на бронированной дрезине, которые не дают пройти только Саше так как она ссыльнаяСсылка (наказание) и дают ей 3 секунды на то, чтобы она ушли. За эти 3 секунд «Бригадир» расстреливает весь экипаж дрезины и обыскав трупы, персонажи угоняют ее.
С боем прорвавшись через «Автозаводскую» на угнанной дрезине, Хантер, Гомер и Саша попадают на станцию «Павелецкая».
В этот вечер с поверхности спускаются две химеры, такие который никогда тут не видели. Эти бестии были сильнее и живучее, 2 метра ростом (стоя на задних лапах). Химеры представляли из себя монстров, лысых и участками шерсти, со страшным лицом и когтями, свисающими пол метра до пола. С необычайной легкостью они вырезали блок пост с пулеметами. И теперь когда монстр двигался на Сашу, нанеся первый удар по воздуху от которого девочка упала на землю. Появляется бригадир с покалеченой рукой, и выстреливая магазин из автомата держа его одной рукой, выхватывает мачете и бросается на монстра в этой битве он протыкает тварь и получает серьезные раны.Туша химеры падает на Хантера и нанизывается на лезвие, собрат монстра прыгает следом и напарывается на мачете, слышно как под весом двух монстров ломаются кости бригадира. Он попадает в госпиталь а Саша и Гомер ждут его выздоровления, с приходом своего спасителя в сознание она неуклюже признается в любви, но получив отказ убегает. Выбежав на поверхность в гнездо Химер, девочка идет на выход из вестибюля, но проснувшаяся бестия провожает ее своим присутсвием. Гуляя по окрестностям на нее нападают огромные птерадактели "демоны". Мутанты хотят ее разорвать пока ее не спасает сталкер. Вернувшись она узнает что хантер ушел а Гомер найдя девочку с бродячим музыкантом, берет обоих и идет за бригадиром.
Именно музыкант Леонид знает лекарство от загадочной болезни. Теперь у Саши появляется двойное задание — спасти Хантера и спасти зараженных людей. Гомер отправляется вместе с Хантером в Полис, а Саша вместе с Леонидом — в сторону Парка Культуры. Леонид говорит Саше, что он — представитель полулегендарного государства со станции «Университет» и хочет отдать ей лекарство. Идя по кольцу Леонид за свой счет поит всех алкоголем и подстрекает двух Ганзейских солдат которые преставлены к ним как сопровождение, решив что он "красный" пропагандист один из солдат решает слать его охране, а второй за деньги дает им бежать. Пройдя к красной линии их ловят пограничники и садят в карцер. Вскоре благодаря своему родству с генсеком коммунистов, их высвобождают и он проводит Сашу на Спортивную и просит прозвонить условный сигнал, чтобы попасть в Метро-2 и выйти к МГУ, однако после признаётся, что обманул её, чтобы подольше не отпускать от себя. Одновременно он сообщает разгневанной Саше, что лекарством от болезни является радиация. Озлобленная девушка разочаровывается в музыканте и у них нету времени на то что бы добраться до Тульской тогда Леонид хватает ее и вместе они прыгают на моторизированую дрезину торговцев. Под дулом пистолета челноки прыгают с дрезины а пара на огромной скорости проноситься через всю ветку, прямиком в полис. Также во время признания музыканта выясняется что проходить везде ему помоголи естественно никакие не обитатели "Изумрудного Города", и не всегда патроны, в паспорте у молодого человека стоит фамилия Москвин, и он является родным сыном лидера Красной Ветки. Из за мягкости, товарищ Москвие выгнал приемника и тот начал жить за счет своего таланта.
Тем временем Гомер и Хантер добираются до Полянки. Из сверхъестественного видения Гомер понимает, что в Хантере борются два начала: защитник людей и жестокий убийца. В Полисе Хантер встречает Мельника, который даёт ему людей Ордена на зачистку Тульской. Сашиному рассказу о радиации как о спасении Хантер не верит, а Гомер, пусть и не сразу, верит. Все главные герои отправляются на Тульскую.
На тульской зараженные устраивают бунт и победив солдат движутся вон со станции, прямиком на Серпуховскую где на блок пост прибыл черный бронпоезд на котором сидиели солдаты в кевларовой броне и оружием по последнему слову техники. Среди них был и Хантер. Когда зараженные приблизились, Саша начала кричать что есть лекарство но сквозь крик толпы ее не было слышно. И тут происходит несчастье, успокив толпу свое музыкой Леонид получает пулю в живот от одного из солдат Ордена. От исполнения плана их останавливает тряска, трубы взорвали и вода устремилась к Серпуховской. Тот час же все выбегают за гермо ворота, все кроме Саши. Девочка осталась по ту сторону.
В последнем эпизоде книги Гомер вновь сидит в дозоре на Севастопольской: Саша пропала без вести, все заражённые прошли профилактику на высокорадиоактивной Каховской линии, Хантер окончательно замкнулся и запил. Гомер закончил писать свою книгу, которая по сюжету идентична «Метро 2034».
Гомер (Николай) - Один из жителей станции «Севастопольская». До судного дня работал помощником машиниста. Сознавая свою бесполезность в военном деле, он посвятил остаток своей жизни летописи и архивированию, постепенно собирая все уцелевшие источники информации газеты, дабы сложить хотя бы приблизительную картину исторической эпохи метро. Поняв длительность и бессмысленность жизни в метро, он решает оставить след в истории. Он решает написать мифы и сказки для потомков, но жестокость метро даёт ему роман который приходить писать кровью убитых Хантером людей.
Хантер (Бригадир) - Один из второстепенных героев предыдущей книги «Метро 2033». В «Метро 2034» он играет одну из главных ролей в сюжете, выступая в роли бригадира одного из дозорных отрядов «Севастопольской». Хантер — циничный и нелюдимый, безэмоциональный персонаж. В предшествующих роману событиях он пережил тяжелейшие физические и душевные травмы, в корне изменившие его натуру, в связи с чем он превращается в человека-машину, машину для убийств, безжалостно расправляющуюся с любым препятствием, вставшим на пути. Однако автор ставит Хантера в неожиданное положение, сводя его с девочкой Сашей, испытывая его, на первый взгляд, бесчеловечную натуру чувством, напоминающим любовь и родственную привязанность одновременно.
Саша - Главная героиня книги. Ей свойствен сентиментализм и вместе с тем — отсутствие сильных эмоций. Как узнается из сюжета, Саша жила в изгнании на станции «Коломенская» с отцом, попавшим в пожизненную опалу. Когда её отец умирает от потери крови после укуса дикой собаки, судьба сводит её с Гомером и Хантером, волею случая как раз в тот момент проходившими её станцию. После смерти отца, не имея поначалу четкой цели, продолжает путешествовать вместе с ними. В пути Саша ясно ощущает к Хантеру нечто вроде влюбленности, в связи с чем она пытается всячески это чувство выразить, но сделать это ей удаётся с трудом. В концовке пропадает без вести при затоплении станции метро «Тульской».
Леонид - Бродячий музыкант, флейтист. Сын товарища Москвина, главы Красной линии. Ненавидящий отца флейтист пытается сделать людей счастливыми с помощью музыки. Становится другом Саши на станции «Павелецкая» и продолжает путь вместе с ней. Погибает на «Тульской» от выстрела в живот.
Артём - У Артёма, главного персонажа предыдущей книги «Метро 2033», после происшедших с ним событий, по словам Мельника, «случилось помешательство, но его выходили». Артём живет нормальной человеческой жизнью, женился. В книге также есть Артём Попов, который живет на «Тульской». Он и главный герой первой книги — разные люди.
Мельник - Мельник за время отсутствия Хантера лишился правой ноги и правой руки и сел в инвалидное кресло (сюжет Metro: Last Light). Несмотря на это, он все же остался в Полисе главой ордена. Именно он даёт Бр
Артем(предположительно Артем черный)
Солдат с Тульской, доверенное лицо управляющего станции, сидел на телефоне и говорил по нему с Гомером, участвовал в расстреле заражённых, после чего вместе с своим начальником вернулись на станцию где тот должен был предупредить от взрыве труб и затоплении станции в кротчайшие сроки.