Как и в случае Final Fantasy XII, все противники видны на экране, поэтому игрок по своему усмотрению может либо напасть на них, либо попытаться обойти, избежав, таким образом, сражения. В случае соприкосновения противника с персонажем игра из режима путешествия переходит в режим битвы — этим геймплей отличается от непрерывного путешествия двенадцатой части и напоминает Final Fantasy X. Применённую здесь боевую систему разработчики назвали Command Synergy Battle (CSB), по сути она является несколько изменённым вариантом традиционной Active Time Battle (ATB), регулярно использующейся ещё со времён Final Fantasy IV. Игрок по прежнему задаёт команды с помощью всплывающего меню интерфейса, атаковать простым ударом, магией или применить предмет, однако существенное отличие заключается в том, что под контролем находится только один персонаж, тогда как двое других управляются искусственным интеллектом. Каждое действие занимает на шкале ATB определённое количество слотов, шкала, в свою очередь, постепенно заполняется, и по мере её заполнения персонаж выполняет команды. Изначально доступны только два слота, но со временем их количество возрастает до шести. Игрок не обязательно должен использовать все имеющиеся слоты, кроме того, заполнение шкалы всегда можно остановить, тем самым заставив персонажа выполнять те команды, для которых хватает данного значения ATB. Есть возможность переключить сражения в автоматический режим, при этом шкала будет заполняться сама с учётом заранее установленных команд. Во время путешествия героям не требуется лечение и какие-либо лечащие предметы, так как после каждой битвы их здоровье автоматически восстанавливается до максимальных значений.

Присутствующая система парадигм позволяет задать для каждого персонажа определённую роль, в соответствии с которой он будет вести себя во время сражения. Всего доступны шесть таких ролей: прямолинейно атакующий «коммандос», использующий повреждающую чёрную магию «разрушитель», исцеляющий с помощью белой магии «санитар», предназначенный для ослабления врагов «диверсант», усиливающий союзников «синергист» и «страж», обладающий защитными способностями. Изначально персонажу доступны только три роли, но с развитием истории герои получают возможность выбрать любые роли из перечисленных, однако в несколько ограниченной комплектации способностей. Смена парадигм — это единственный способ хоть как-то повлиять на двух других персонажей, находящихся под контролем искусственного интеллекта. Набор парадигм устанавливается игроком заранее, в режиме путешествия, и не может быть изменён в ходе сражения.

Позже по игре появляется возможность призывать в битву так называемых «эйдолонов». Эти могучие существа, в числе которых традиционные для серии Один, Шива, Александр и Багамут, а также два новых Гекатонхейр и Брюнхильда, по призыву одного из персонажей появляются во время сражения и противостоят врагам вместо группы протагонистов. Во время такого боя игрок может дополнительно активировать режим гештальта (англ. Gestalt Mode), в случае которого эйдолон трансформируется в альтернативную свою форму и сражается вместе с призвавшим его персонажем. Эйдолоны занимают важное место в сюжете, и каждый из них закреплён за конкретным героем.

Система развития персонажей получила название Кристарий (англ. Crystarium), в концептуальном плане она напоминает «сетку сфер» из десятой части. По условиям этой системы каждый кристалл в Кристарии представляет одну из шести парадигм и подразделён на десять уровней. Уровни, в свою очередь, подразумевают различные бонусы к параметрам персонажа, повышают здоровье, силу, добавляют в арсенал новые способности и позволяют экипировать дополнительные аксессуары. Развитие в определённую сторону происходит посредством использования очков Кристария (англ. Crystarium Points), которые зарабатываются в сражениях с врагами, накапливаясь после каждой победы. Вначале игроку доступен не весь Кристарий, а лишь небольшая его часть, — доступ к новым кристаллам и уровням открывается после определённых сюжетных событий.

Мир Final Fantasy XIII представляет собой обширные территории под названием Пульс, однако бо́льшая часть событий происходит внутри парящего в небе планетоида Кокон, который управляется теократическим правительством Санктум. Оба мира контролируются загадочными фал’си, механическими существами с божественной силой, каждое существо имеет в своей основе кристалл, а сконструировал их, как гласят легенды, богоподобный Создатель. Фал’си, покровительствующие Кокону, поддерживают этот мир в воздухе, снабжают живущих внутри людей водой, едой и электричеством — у каждого из них есть своё определённое назначение. Кроме того, фал’си обладают способностью избирать людей, живущих как в Пульсе, так и в Коконе, своими помощниками. Избранные, называемые л’си, отмечены специальным символом на теле и обладают «фокусом», заданием, которое обязательно нужно выполнить. Если л’си вовремя справляется с заданием, он превращается в кристалл и, в соответствии с легендами, обретает таким образом вечную жизнь; в противном случае, не выполнивший своего предназначения человек становится безумным монстром. Л’си не имеют чёткого представления о своём фокусе и должны ориентироваться на основе размытых видений.

За несколько сотен лет до начала событий игры между Пульсом и Коконом развернулась масштабная война. В ходе противостояния л’си Пульса неожиданно атаковали Кокон и общими усилиями вызвали на нём существенные разрушения, тем самым выполнив своё предназначение, после чего превратились в кристаллы. По прошествии лет жители Кокона восстановили свой мир, но с тех пор пребывают в постоянном страхе повторного нападения — этим страхом для обретения власти воспользовалась организация Санктум. Они создали два военизированных подразделения, правоохранительный Защитный корпус и PSICOM, специальные войска, специализирующиеся на внешней угрозе со стороны Пульса. Фал’си снабдили людей высокотехнологичными разработками, в распоряжении цивилизации находятся воздушные корабли, сложные механические приспособления и робототехнические существа, а также своеобразная магия. Магия — удел л’си, фал’си и многочисленных монстров, хотя применять заклинания могут и некоторые обычные люди.

Состав основных персонажей включает шесть человек, в том числе главная героиня с кодовым именем Молния, бывшая военнослужащая и старшая сестра Серы; Сноу Вильерс, жених Серы и лидер повстанческой группировки; Оэрба Дая Ваниль, рассказчица истории и, как выясняется позже, изгнанница л’си с Пульса; Саж Кацрой, пилот гражданской авиации и отец маленького мальчика по имени Даж; Хоуп Эстейм, тинэйджер, страдающий из-за ссоры родителей; и Оэрба Юнь Фан — л’си с Пульса, сотрудничающая с войсками Санктума. Среди прочих ключевых персонажей — Галент Дизли, глава Санктума; Сид Рэйнес, бригадный генерал армии Санктума, который в глубине души не доверяет своему правительству; Сера Фаррон, младшая сестра Молнии и возлюбленная Сноу.

Сюжет игры начинается в Коконе, в завязке происходит так называемая «чистка», когда правительство Санктум высылает вниз всех людей, так или иначе связанных с Пульсом. Бывшая военнослужащая Молния вместе с опытным чернокожим пилотом Сажем пытается сорвать отправку, так как среди изгоняемых — её родная сестра Сера. Одновременно с этим лидер повстанцев Сноу, заручившись поддержкой единомышленников, ведёт бой против правительственных войск, чтобы спасти ни в чём неповинных людей от изгнания, особенно Серу, которую любит и хочет взять в жёны. Рейс сорван, но в ходе сражения погибают несколько человек, в том числе мать высылаемого подростка Хоупа — его успокаивает другая высылаемая, девушка по имени Ваниль. Персонажи уверены, что снять с Серы метку л’си может только наложивший её фал’си Анима, они приводят Серу к Аниме, но Сера, выполнив свой фокус, неожиданно превращается в кристалл. В отчаянии герои атакуют Аниму, в ответ богоподобное механическое существо превращает их самих в л’си, после чего они приходят в сознание среди кристаллических пещер Кокона. Все наблюдали одно и то же видение, в котором фигурирует страшный монстр Рагнарок. После размышлений о неоднозначной природе своего фокуса, группа находит кристаллизованную Серу, Сноу остаётся вместе с возлюбленной, тогда как остальные отправляются дальше на поиски выхода.

Вскоре оставшийся в одиночестве Сноу подвергается нападению правительственных войск и в качестве пленника попадает на воздушный корабль Защитного корпуса, находящийся под командованием оппозиционно настроенных Сида и Фан. Остальным персонажам удаётся спастись от подразделений PSICOM, однако в ходе бомбардировки они разделились на две группы: Хоуп и Молния пошли в портовой городок Палумполум, в то время как Саж и Ваниль взяли курс на развлекательный парк Наутилус. Молния в ходе путешествия непреднамеренно усиливает желание Хоупа отомстить за смерть матери — при первой же встрече юноша собирается убить Сноу. Параллельно Саж рассказывает Ваниль о своём шестилетнем сыне, который по случайному стечению обстоятельств был превращён в л’си и похищен правительством для исследований. После произошедших во время «чистки» событий Санктум объявляет охоту на л’си Пульса и собирается вынести им всем смертный приговор. Сид, пытаясь предотвратить убийства, посылает Сноу и Фан на поиски остальных избранных — в результате поисков они обнаруживают Молнию и Хоупа, помогая им спастись. Фан рассказывает, что вместе с Ваниль они уже давно являются л’си Пульса, много лет назад они исполнили своё предназначение и превратились в кристаллы, однако 13 дней назад неожиданно вновь вернулись в человеческую форму. Хоуп выгадывает удобный момент для убийства Сноу, но тот спасает его от бомбардировки, и мальчик отказывается от своего плана возмездия. Группа эвакуируется из города посредством воздушного корабля Сида. Тем временем Ваниль признаётся Сажу, что его сын, Даж, был превращён в л’си из-за неё, затем их арестовывают силы PSICOM и берут на борт своего воздушного корабля.

Оставшиеся на свободе герои предпринимают попытку нападения на PSICOM и спасают Сажа с Ваниль, также происходит встреча с Галентом Дизли, священным правителем Санктума, который в действительности оказывается не человеком, а фал’си Бартанделусом. Он объясняет суть общего фокуса персонажей — они должны трансформироваться в монстра Рагнарока и уничтожить фал’си под названием Орфан, дремлющее ныне божество, поддерживающее Кокон в невесомом состоянии. Персонажи сомневаются насчёт своего предназначения, поскольку уничтожение Орфана неминуемо приведёт к падению Кокона на поверхность Пульса и к гибели всех проживающих здесь людей. Группа продолжает путешествие и вскоре узнаёт от Сида об истинных намерениях фал’си — они верят, что уничтожение своего собственного мира и самих себя в том числе приведёт к возвращению легендарного Создателя, покинувшего их много веков назад. Сами они не могут разрушить Орфана и причинить какой-либо вред Кокону, поэтому используют в качестве марионеток человеческих л’си. Ваниль и Фан признаются, что масштабные повреждения Кокона, оставленные войной с Пульсом 500 лет назад, — это их вина, и фокус девушек с тех пор не изменился — стать Рагнароком и победить Орфана. Персонажи спускаются на просторы Пульса и посещают руины Оэрба, родной город Ваниль и Фан, в надежде отыскать способ избавиться от меток л’си. Потерпев неудачу, группа снова встречается с Дизли. Он рассказывает, что позволил Сиду занять должность главы Санктума, чтобы посеять в Коконе хаос и в ходе государственного переворота принудить войска атаковать Орфана.

Команда персонажей, стремясь предотвратить катастрофу, возвращается в Кокон. Солдаты Защитного корпуса к этому времени по велению фал’си превратились в безумных монстров, ситуация вышла из под контроля, и мир погрузился в хаос. Герои вступают в противостояние с Дизли и побеждают его, однако тот сливается с пробудившимся Орфаном, превращает Молнию, Сажа, Сноу и Хоупа в монстров, а от Фан требует, чтобы та сейчас же стала Рагнароком и завершила свой фокус. Девушка пытается это сделать, но для полного превращения нужна Ваниль, которая категорически отказывается от участия в трансформации. Тогда, вернувшись в человеческую форму, в бой вступают остальные герои и уничтожают фал’си — в результате Кокон начинает падение на поверхность Пульса. Убив Орфана, четверо персонажей исполняют своё предназначение и превращаются в кристаллы, тогда как Ваниль, опасаясь гибели многих людей, всё-таки соглашается стать Рагнароком. Появившееся после слияния с Фан гигантское существо формирует между двумя мирами колоссальную кристаллическую колонну, благодаря которой Кокон удерживается высоко в небесах, оставаясь невредимым. Персонажи приходят в себя на поверхности Пульса, в человеческом обличье и без меток л’си на коже. В заключительных сценах показывают как Сноу и Молния радуются возвращению живой Серы, как Саж обнимает своего сына и как Ваниль с Фан, существующие теперь в виде кристаллов, размышляют о возрождении Кокона.