「トワイライトタウン」に住む少年、ロクサスは不思議な夢を見て目を覚ます。
ロクサスは夏休みの残りの7日間を、いつもの仲間たちとすごしていた。
その頃、ロクサスのまわりで不思議な出来事が起こりはじめる。
白い化け物、ダスクに襲われた時、ロクサスはとっさに鍵型の剣"キーブレード"を手にしていた。
夏休みが残り1日となった日、ポッドで眠るソラと出会ったロクサスは本当の自分を思い出す。
夏休みは終わった。

ロクサスが消えたことで、記憶の回復を終えたソラが目覚め、いっしょに眠っていた、ドナルド、グーフィーとジミニーと再会を喜ぶ。
ジミニーが旅の記憶を振り返ろうと記録を見るが、メモは白紙になっており、ただ一言、「ナミネにお礼を言う」とだけ記されていた。
そして王様の導きによって、一同は「不思議な塔」に到着する。
塔の主、イェン・シッドはソラに戦うべき新たな脅威、"ノーバディ"と、黒いコートを着た集団"XIII機関"の存在を明かす。
ソラ、ドナルド、グーフィーの3人は新たな冒険の旅に出発する。

「ホロウバスティオン」を訪れたソラはかつての仲間たちと再会し、ソラが眠っていた1年の間にも、ハートレスの脅威が治まっていないことを聞く。
そしてこの世界にも、新たな脅威の存在ノーバディが現れ、ノーバディ退治を引き受けたソラの前に更にXIII機関も姿を現す。
ソラたちはXIII機関を追って世界各地をめぐる中、カイリが「トワイライトタウン」でXIII機関にさらわれたことを知る。

再び訪れた「ホロウバスティオン」で、ソラたちはかつて賢者アンセムが使用していたコンピュータの中の世界に取り込まれてしまう。
コンピュータのプログラムを修復して、元の世界に戻ったソラは王様と再会する。
ソラは王様から以前戦ったアンセムは偽物で、本物の賢者アンセムがいたことを知らされる。
そしてハートレスが一斉攻撃を仕掛けて来る中、XIII機関の指導者、ゼムナスが姿を見せる。
ゼムナスの正体は賢者アンセムのかつての弟子、ゼアノートのノーバディだった。

ソラはカイリをさがし、再び「トワイライトタウン」を訪れた。
ソラたちは、ロクサスが夏休みを過ごした、もうひとつの「トワイライトタウン」から闇の世界へ向かう手段を得る。
しかしその道中、無数のダスクの群れに襲われてしまう。
そんなソラたちの前に現れたアクセルは、親友のロクサスでもあるソラを救うために、その身を犠牲にするのだった。

ついにソラはXIII機関の本拠地「存在しなかった世界」へやってきた。
機関のメンバーを倒しながら進んできた城で、ソラはカイリと再会する。
そして、闇の力を使ったことでアンセムの姿になっていたリクも本来の姿を取り戻す。
賢者アンセムはこれまでの弟子の裏切りへの憎悪により、ディズとして復讐を計画、
その手段を選ばぬ方法に、ロクサスをはじめ多くの犠牲があった。
正気を取り戻した賢者アンセムはせめてもの罪ほろぼしに、
XIII機関が作りだそうとしていた人の心のキングダムハーツを破壊し、その時の爆発で行方がわからなくなってしまう。

ソラたちは城の屋上、賢者アンセムが破壊したキングダムハーツの前でゼムナスと対峙する。
ゼムナスを倒して、ナミネが開いてくれたゲートで脱出する一同。
そこにロクサスも現れて、ナミネはカイリに、ロクサスはソラに、それぞれのノーバディが本体に戻る。
カイリにつづいて、ソラとリクがゲートをくぐろうとした時、ゲートが閉じてしまう。
ゼムナスは完全に消滅したわけではなかった。
ソラとリク、ゼムナスの最後の戦いがはじまる。

ゼムナスを倒したものの、ソラとリクは闇の世界に閉じ込められてしまう。
闇の海岸であきらめかけた時、ボトルに入ったカイリの手紙が流れ着いて、二人の前に光への扉が現れる。
ソラとリクはカイリの待つ故郷の世界「デスティニーアイランド」に帰還した。
再会をよろこびあう一同。
それからほどなくしての夕暮れ。
海に沈む夕日を眺めていたソラとリクのもとに、カイリが手紙を届けに来る。
手紙を読んだ3人は新たな冒険のはじまりを予感する。