Действие игры происходит в 1992 году, в окрестностях Калифорнии. Игрок управляет главным героем Карлом Джонсоном (англ. Carl Johnson) по кличке Си-Джей (англ. CJ), афроамериканцем в возрасте около 25 лет. Си-Джей вернулся в Лос-Сантос после пяти лет жизни в Либерти-Сити. Он уехал из Лос-Сантоса в 1987 году из-за смерти своего младшего брата Брайана, в которой его винил старший брат Шон Джонсон по кличке Свит (англ. Sweet). В город он приехал на похороны своей матери, Беверли Джонсон. Она была убита врагами Свита во время драйв-бая[К 1].
На пути домой Си-Джея задерживает офицер полиции Лос-Сантоса Фрэнк Тенпенни, глава подразделения по специальным операциям C.R.A.S.H. (акроним от Community Resources Against Street Hoodlums, дословно с англ. — «Общественные ресурсы против уличных хулиганов»; в официальной русской локализации — Департамент по борьбе с организованной преступностью). Тенпенни обвиняет Си-Джея в убийстве другого члена C.R.A.S.H., офицера Ральфа Пенделбери, которого он сам же и устранил после того, как Пенделбери начал расследовать незаконную деятельность Тенпенни. Впоследствии Тенпенни и его сослуживец Эдди Пуласки, шантажируя Карла сфабрикованным обвинением против него, принуждают его работать на них, убивая людей, представляющих угрозу для преступной деятельности Тенпенни.
После разговора в полицейской машине Си-Джея выбрасывают в самом центре враждебного к нему криминального района, находящегося под контролем афроамериканской уличной банды Ballas. Поскольку Карл представляет банду своего родного района Гантон (списанный с Комптона), «Orange Grove Street», являющуюся частью преступного альянса «Grove Street Families», гангстеры Ballas являются его врагами.
Благополучно добравшись до дома своей семьи, Си-Джей встречает в нём своего старого друга Мэлвина Харриса по кличке Биг Смоук (англ. Big Smoke) и едет с ним на похороны своей матери.
На кладбище Карл встречается со своим старшим братом Свитом, сестрой Кендл и старым другом Лэнсом Уилсоном по кличке Райдер (англ. Ryder). Свит с самого начала агрессивно ведёт себя по отношению к Си-Джею, Кендл же настроена доброжелательно. Сразу после появления Карла между ним и Свитом происходит ссора, и Кендл уходит, заявив, что отправляется повидаться с Цезарем Виальпандо — своим парнем. Как выясняется, Цезарь — главарь враждебной Grove Street мексиканской банды Varrios Los Aztecas, и Свит категорически против его отношений с Кендл. На обратном пути Свита, Биг Смоука, Райдера и Си-Джея атакуют гангстеры Ballas на автомобиле, и им приходится спешно возвращаться в родной квартал на велосипедах.
Далее по сюжету игры Карл начинает мало-помалу втягиваться в криминальную деятельность своей банды, закрашивая теги вражеских группировок, участвуя в драйв-боях против гангстеров Ballas, совершая кражи оружия для членов своей банды и захватывая территории группировки Ballas и латиноамериканской банды Los Santos Vagos. Видя значительный вклад Си-Джея в общее дело, Свит постепенно смягчается по отношению к Карлу и в конце концов между братьями происходит примирение.
По просьбе Свита Карл отправляется на соревнования лоурайдеров, в которых участвует мексиканский бойфренд Кендл. После того, как Си-Джей побеждает в соревновании, он встречается с Цезарем Виальпандо, который предлагает ему свою дружбу. Именно Цезарь впоследствии открывает Карлу глаза на предательство его старых друзей Биг Смоука и Райдера, связавшихся с коррумпированным C.R.A.S.H. и бандой своих заклятых врагов Ballas. В тот день, когда Карл узнаёт об измене, банда Grove Street Families во главе со Свитом совершает очередное нападение на Ballas. Чтобы предупредить брата, Си-Джей мчится через весь город на место перестрелки и обнаруживает Свита раненым. Карл вступает в неравный бой с многочисленной бандой гангстеров Ballas, зная, что с минуты на минуту к месту разборок должна прибыть полиция. В тот момент, когда бандитов окружают полицейские, члены банд убегают, а Карл остается с раненым братом. Их арестовывают.
Свита помещают в тюремный госпиталь, а Си-Джей остается на свободе, с условием, что он будет продолжать работать на Тенпенни и Пуласки. Его увозят в деревню, подальше от Ballas и Биг Смоука, где он выполняет поручения Тенпенни, знакомится с Праведником, белым хиппи, у которого Тенпенни покупает наркотики, участвует в гонках, организованных представителем китайских Триад Ву Зи Му (он же Вузи), встречается с кузиной Цезаря Каталиной, психически нездоровой особой, с которой он совершает несколько ограблений, причём за короткое время их знакомства Каталина успевает влюбиться в Карла, изнасиловать его и порвать с ним отношения, уехав в Либерти-Сити с гонщиком Клодом в конце миссии «Прощай, любовь моя».
В этой же миссии Си-Джей выигрывает в гонке с Клодом и получает в качестве приза гараж в Сан-Фиерро. Только приехав на место, Карл понимает, что его обманули — гараж оказывается заброшенным и набитым рухлядью и мусором, и только вмешательство Кендл не позволяет Си-Джею отказаться от него. При помощи Праведника Карлу удается собрать команду для работы в гараже, в дальнейшем он вместе с Цезарем также занимается угоном автомобилей. В Сан-Фиерро, как и в Лос-Сантосе, присутствуют банды — это китайские Триады и враждующая с ними вьетнамская группировка "Парни Дананга", а также латиноамериканцы San Fierro Rifa.
Во время своего пребывания в Сан-Фиерро Карл помогает своему новому другу Ву Зи Му в войне с вьетнамскими бандами и противостоит преступному синдикату «Локо», в котором состоит его бывший кореш Райдер. Постепенно Си-Джей входит в доверие к одному из членов синдиката, сутенёру Джиззи Би, затем через него выходит на других членов — Ти-Боуна Мендеса и его партнёра Майка Торено — агента ЦРУ, использующего доходы от наркобизнеса для финансирования латиноамериканских повстанцев. Сначала Си-Джей устраняет Джиззи, затем при помощи Цезаря и китайских Триад, возглавляемых Вузи, срывает встречу синдиката «Локо» с картелем Биг Смоука, убивает Райдера, Мендеса и сбивает вертолёт с Торено на борту. Предполагается, что Майк Торено мёртв, однако впоследствии он вновь появляется, уже не как наркоторговец, а как правительственный агент, на которого Карл работает, чтобы освободить своего брата.
Затем по сюжету игры Карл попадает в Лас-Вентурас, город развлечений, списанный с Лас-Вегаса. Получив долю в казино Ву Зи Му «Четыре дракона», Си-Джей помогает Триадам разобраться с итальянской мафией, организует и осуществляет ограбление конкурирующего казино «Калигула». После выполнения очередного задания офицер Тенпенни решает избавиться от Карла, но он выживает и убивает офицера Пуласки.
После своего возвращения в Лос-Сантос Си-Джею наконец удается добиться от Торено освобождения своего брата. Вместе с братом они едут домой, на Гроув-стрит, и обнаруживают родной квартал в полном запустении. Впоследствии главному герою приходится заново захватывать все вражеские районы. Офицера Тенпенни арестовывают и судят, но за недостатком доказательств (от которых он избавлялся с помощью Карла) оправдывают. Это вызывает массовые беспорядки в Лос-Сантосе (отсылка к Лос-Анджелесскому бунту). В финальной части сюжета Си-Джей убивает Биг Смоука и, наконец, главного антагониста игры — офицера Тенпенни. Цезарь Виальпандо, при содействии Карла, вернувшего исконные территории своей банде, делает предложение Кендл. Си-Джей продолжает захватывать территории, чтобы банды Ballas и Los Santos Vagos полностью исчезли.