Das Spiel beginnt mit Lara auf ihrer ersten Expedition an Bord des Schiffes Endurance, mit der Absicht, das verlorene Königreich von Yamatai zu finden. Auf ihren Vorschlag und gegen Whitmans Rat geht die Expedition in den Dragon's Triangle, östlich von Japan. Das Schiff wird von einem gewaltigen Sturm getroffen und sinkt, die Überlebenden stranden auf einer isolierten Insel.
Als Lara versucht, die anderen Überlebenden zu lokalisieren, findet sie weitere Beweise dafür, dass die Insel bewohnt ist, wie seltsame Schnitzereien, tote Körper und Tieropfer. Sie findet schließlich ihren Freund Sam und einen Mann namens Mathias, der behauptet, ein Lehrer zu sein, der auf der Insel Schiffbruch erlitten hat. Als Sam Mathias die Legenden von Himiko erzählt, verliert Lara das Bewusstsein; als sie erwacht, sind weder Mathias noch Sam mehr in der Nähe.
Als Lara sich mit den anderen Überlebenden zusammenschließt, beschließt Whitman, mit Lara zu gehen und nach dem noch vermissten Roth zu suchen, während der Rest der Gruppe (Reyes, Jonah, Alex und Grim) auf die Suche nach Sam und Mathias geht. Während Lara und Whitman erkunden, entdecken sie, dass die Bewohner der Insel Himiko anbeten und bestätigen, dass es sich um Yamatai handelt. Nach der Entdeckung eines Heiligtums, das im Namen von Himiko errichtet wurde, werden sie von den Inselbewohnern gefangen genommen und zusammen mit mehreren anderen Überlebenden aus der Endurance in eine Siedlung gebracht.
Lara wird von Whitman getrennt und versucht, sich zu verstecken, wird aber von einem der Inselbewohner gefunden und gezwungen, ihn zu töten. Sie kämpft sich durch den Rest der Angreifer und trifft wieder mit Roth zusammen, rettet ihn vor einem Wölfangriff.
Lara schafft es, einen Radioturm zu aktivieren und um Hilfe zu bitten, aber das Flugzeug, das auf den Anruf antwortet, wird von einem furchtbaren Sturm getroffen, und Lara hört eine mysteriöse Stimme, die "Niemand verlässt" auf Japanisch sagt. Unfähig, die überlebenden Piloten zu retten, wird Lara von Alex und Reyes kontaktiert, die offenbaren, dass Sam von den Insulantern entführt wurde, einer gewalttätigen Sekte, die als die Solarii-Brüderheit bekannt ist.
Auf der Flucht aus dem alten Kloster, wo sie von den Oni genommen wird, hört sie von Sam, dass Mathias sie durch die "Aufstiegszeremonie", ein "Feuerritual", bringen wird, um die nächste Sonnenkönigin zu finden. Dieses Ritual wird sie zum Tode verbrennen, wenn es nicht erfolgreich ist. Lara folgt ihnen zur Festung der Solarii und wird von Grim unterstützt. Die Solarii nehmen Grim als Geisel, aber er opfert sich, damit Lara entkommen kann. Mit Hilfe von Roth infiltriert Lara die Festung und sieht das Ritual beginnen. Ein starker Wind bläst die Flammen aus, was zeigt, dass Sam die nächste Sonnenkönigin ist.
Mit Hilfe von Whitman – der es geschafft hat, mit den Solarii ein gewisses Maß an Freiheit zu verhandeln – kehrt Lara in den Palast zurück, um Sam zu retten, während Roth einen Hubschrauber commandeert, um sie zu befreien. Lara gelingt es, aber sie überzeugt Sam, auf dem Land zu fliehen, wenn sie sieht, wie sich ein weiterer Sturm zusammenbraut, als der Hubschrauber näher kommt. Als Lara versucht, den Helikopterpiloten zur Landung zu zwingen, werden sie heruntergebracht, wobei Lara beinahe stirbt. Roth weckt Lara wieder, dann nimmt er einen tödlichen Schlag von Mathias, der ursprünglich für Lara bestimmt war.
Während sie Roth trauert, akzeptiert Lara, dass die Stürme nicht natürlich sind, sondern irgendwie mit der Sonnenkönigin verbunden sind und dazu dienen, die Flucht von der Insel zu verhindern. Sie trifft sich mit den anderen Überlebenden, die den Solarii lange genug entkommen konnten, um ein Boot für die Flucht von der Insel zu sichern, vorausgesetzt, dass es repariert werden kann. Sie werden von Whitman, der behauptet, entkommen zu sein, obwohl Lara anfängt, ihn daran zu zweifeln, dass er mit den Kultisten zusammenarbeitet. Lara und Alex finden Teile für das Boot im Wrack der Endurance.
Sie werden von den Solarii angegriffen und Alex löst eine Explosion aus, opfert sich damit, dass Lara mit den Werkzeugen entkommen kann.
Nach einer Erzählung über eine japanische Militär- und Nazi-Wissenschaftsexpedition aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs auf die Insel, die nach einem Weg suchte, um die Stürme als Waffe zu nutzen, beschließt Lara, ein Küstengrab zu erkunden. Dort findet sie die Überreste eines Samurai-General, der Seppuku begangen hat. In einer Nachricht, die er hinterlassen hat, wird enthüllt, dass er die Queen's Stormguard, die Oni, die das Kloster verteidigen, führte und dass der Nachfolger der Königin ihr eigenes Leben beendete anstatt das der Sonnenkönigin zu übernehmen.
Lara erkennt, dass der Aufstieg keine Zeremonie ist, um eine neue Königin zu krönen, sondern ein Ritual, das die Seele der ursprünglichen Sonnenkönigin in einen neuen Körper überträgt; die Sonnenkönigin hatte gelernt, sich effektiv unsterblich zu machen, indem sie ihre Seele jedes Mal in den Körper eines jungen Mädchens übertrug, wenn sie alt wurde. Der Suizid der letzten Priesterin hatte das Ritual unterbrochen und die Königinseele in ihrem alten, verfallenden Körper gefangen gehalten; seitdem will Himiko's Geist aus diesem Leichnam entkommen. Als Nachfahrin Yamatais ist Sam ein tragbarer Kandidat, und Mathias plant, Sam als neue Wirtin anzubieten, um so seine Freiheit zu erlangen.
Lara kehrt zu den Überlebenden am Strand zurück, um herauszufinden, dass Whitman sie verraten hat, Sam entführt und sie an Mathias übergibt. Lara, Jonah und Reyes jagen den Fluss hinauf zum Kloster, wobei Lara gerade rechtzeitig ankommt, um zu sehen, wie Mathias Whitman tricks, um ihn dem Oni näher zu bringen und mit ihm zu sprechen: der Oni tötet Whitman. Nachdem sie ihren Weg durch sowohl die Solarii als auch die Stormguard gekämpft hatte, kam Lara auf die Spitze des Klosters, wo Mathias das Aufstiegsritual durchführt. Lara kämpft ihren Weg zur zentralen Plattform und nach einem Kampf schlägt sie Mathias von der Plattform, wodurch er zu seinem Tod stürzt.
Symbolisch macht sie dies, indem sie sowohl ihre Pistole als auch seine in einem dual-wield-Stil benutzt, der später zu einer ihrer Signaturen wird. Trotz des Todes von Mathias ist das Ritual bereits im Gange, mit Himikos Seele, die beginnt, in Sam einzuflößen. Aber Lara zerstört dann Himikos antike Überreste, rettet Sam und zerstreut die Stürme.
Lara, Sam, Reyes und Jonah verlassen dann die Insel und werden von einem Frachtschiff abgeholt: Als sie nach Hause segeln, stellt Lara fest, dass die mythischen Geschichten, die ihr Vater ihr erzählt hat, mehr als nur Geschichten waren und beschließt, noch nicht nach Hause zurückzukehren. Der Bildschirm fädert in Weiß aus mit der Proklamation „A Survivor is Born„.