Final Fantasy XIII-2 ha inizio tre anni dopo la fine del precedente episodio. Alla fine di Final Fantasy XIII, Lightning viene trascinata da una forza misteriosa nel Valhalla, una città che si erige nella dimensione alternativa. Mentre la ragazza parla con la Dea Etro, sulla spiaggia c'è un ragazzo, Caius, che si incammina pian piano in mare, evocando dall'acqua figure mostruose, che scatenano il caos. I due non possono fare a meno di combattersi. Durante il loro combattimento Lightning evoca Odin e Caius si trasforma in un Chaos Bahamut. A un certo punto si apre un varco all'interno del quale fluttua un ragazzo, che Lightning sembra conoscere e che corre a mettere in salvo prima che la furia di Caius possa travolgerlo. Noel Kreiss, uno dei due protagonisti di Final Fantasy XIII-2, apparso precedentemente in una visione della ragazza. Noel si trova lì perché Lightining ha ascoltato le sue preghiere, con cui chiedeva un miracolo: non essere più solo. Il giovane viene infatti da un futuro in cui non ci sono più esseri umani, è stato l'ultimo bambino a nascere e ha visto tutte le persone che conosceva morire, una dopo l'altra. Dopo aver sconfitto Caius, Lightning gli spiega che c'è un modo per mettere a posto le cose, ma deve svolgere una missione per lei: trovare sua sorella Serah, che vive su Gran Pulse, dove tutti, credono che Lightning sia morta. Noel accetta la missione affidatagli da Lightning e parte, insieme ad un piccolo Moogle alla ricerca di Serah. La scena si sposta a New Bodhum dove Serah si sveglia e scopre che i suoi vestiti sono cambiati. Il villaggio è stato attaccato da mostri di Pulse. Serah viene salvata da Noel e le consegna il piccolo Mog. Il ragazzo convince Serah che Lightning è viva e insieme partono per ritrovarla. Come in Final Fantasy XIII-2, il gioco usa una variante dell'Active Time Battle (ATB). Si potrà inoltre modificare il livello di difficoltà delle battaglie. Durante le battaglie, il giocatore potrà usare degli eventi di breve durata, chiamati "Cinematic Action", per infliggere danni maggiori ai nemici. Si potrà inoltre domare un mostro e usarlo come alleato in battaglia, creando con lui nuove mosse speciali combinate. I mostri non saranno più visibili sulla mappa come in Final Fantasy XII e Final Fantasy XIII-2, ma appariranno quando il giocatore si avvicinerà. Appena il mostro appare sullo schermo, compare un quadrante chiamato "Mog Clock": esso garantisce vari bonus o penalità in base al tempo impiegato per incominciare la battaglia.)