En regulær amerikansk bakkestyrke har blitt sendt ut på et rekognoseringsoppdrag. Oppdraget fører til at de amerikanske bakkestyrkene kommer i en trefning med en lokal milits og må evakuere fra den militsstyrte byen. En amerikansk soldat ved navn Joseph Allen gjør en heroisk innsats, som blir lagt merke til av den amerikanske General Shepherd. På grunn av sitt pågående heltemot får Allen et tilbud om en stilling som undercover-agent i Russland, for å infiltrere det ultranasjonalistiske miljøet rundt terroristlederen Vladimir Makarov. Makarov er en tidligere løytnant under Imran Zakhaev, som man bekjempet i slutten av forrige spill i serien, Call of Duty 4: Modern Warfare.