Penumbra: Overture cuenta la búsqueda de Philip un físico de unos treinta años cuyo último pariente vivo —su madre— muere. Tras recibir una misteriosa carta de su padre supuestamente fallecido, Philip sigue una serie de pistas que le conducen hasta Groenlandia.
Hay cosas que necesito de ti. Cosas que puede que no comprendas, y que desearías no hacer, pero por favor, no cometas mis mismos errores.

Mi padre, Howard, me abandonó antes de que yo naciera. Podría decir que la pérdida de mi madre y la carta que recibí después de su funeral me cegaron y no hice lo que debería haber hecho. Sería una mentira:
La naturaleza humana selló mi caída.
Me llamo Philip. Si tenemos suerte, para cuando recibas esto, ya habré muerto.
Si el destino se tuerce, todos moriremos.

El frío intenso le fuerza a refugiarse en una mina abandonada. Desgraciadamente, el acceso queda bloqueado cuando él entra y se ve obligado a profundizar en la mina. Una vez dentro, Philp empieza a recibir mensajes de radio de Tom "Red" Redwood, un hombre desquiciado por la claustrofobia. Red promete a Philip que le dará respuestas si le encuentra. La historia lleva a Philip a descender profundizando en las minas en búsqueda de Red mientras desvela los secretos de los anteriores y los actuales habitantes de la mina.

Philip descubre que la mina está habitada por un ecosistema de animales anormalmente grandes: lobos, arañas gigantes o enormes lampreas capaces de excavar en la roca entre otros. Notas y trozos de papel abandonadas a lo largo de la mina revelan que algún tipo de sociedad secreta está estudiando fenómenos extraños dentro de las minas.

Siguiendo pistas y resolviendo diversos puzles, Philip logra llegar a una zona profunda de la mina donde Red le está esperando. Red espera dentro de un incinerador y ruega a Philip que le mate. Sin otra opción, Philip activa el incinerador para poder obtener de entre las cenizas de Red la llave que necesita para continuar hacia una nueva zona de la mina denominada como "El Refugio". Una vez dentro, Philip descubre lo que parece una silueta humana observándole. Philip se acerca a la figura, pero la luz desaparece y es golpeado y pierde la consciencia. El argumento continua en Penumbra: Black Plague

Aunque en Frictional Games describe Penumbra: Overture como una aventura en primera persona,el juego posee características de otros géneros como el survival horror, acción en primera persona, y aventura gráfica. El uso de Newton Game Dynamics enfatiza los puzles basados en la física de manera similar a la que lo hacía en Half-Life 2. El juego incorpora una avanzada inteligencia artificial que responde de manera realista a ruidos y luces, creando una dinámica de juego basada en el sigilo. Los enemigos abren y cierran puertas a su antojo, se coordinan para lanzar ataques en grupo e interactúan con los objetos que están a su alcance.

No hay armas de fuego en el juego, y durante los combates 'cuerpo a cuerpo' el jugador está limitado al uso de un pico, un martillo, una escoba o a lanzar objetos diversos que encuentre a su alcance. El juego está diseñado para enfatizar el sigilo en lugar del conflicto directo. Un ejemplo de esto: Philip puede cerrar puertas tras él para retrasar a los enemigos.

El enfoque principal del juego es la exploración y la interacción con objetos como en las aventuras clásicas: examinando y recogiendo objetos que se utilizarán para resolver puzles.

Las voces están subtituladas al español en la versión para Windows.