Zu Beginn des Spiels trifft ein Informant namens Enzo auf Bayonetta – eine Hexe, die vor zwanzig Jahren von dem Grund eines Sees auferstand und kaum Erinnerungen an ihre Vergangenheit hat. Enzo informiert sie über den möglichen Aufenthaltsort der Person, die das Rechte Auge besitzen soll. Eine Hälfte von zweien, die zusammen die Augen der Welt ergeben.
Bayonetta macht sich auf die Suche nach dem Rechten Auge und hofft durch dieses ihre verlorenen Erinnerungen wiederzuerlangen. Die Spur führt in eine Stadt namens Vigrid. Dort wird Bayonetta mit Jeanne, einer anderen Umbra-Hexe, konfrontiert, die sich scheinbar auf die Seite der Engel geschlagen hat.
Sie trifft außerdem auf einen jungen Mann namens Luka, dem Bayonetta den Spitznamen Cheshire gibt und der sie verfolgt, weil er glaubt, sie sei verantwortlich für den Tod seines Vaters.
Bayonetta trifft auf ein verlorenes Mädchen namens Cereza, die eine Stofftierkatze namens Cheshire mit sich trägt. Zu Bayonettas Frustration glaubt das Kind, dass sie ihre Mutter ist und folgt ihr. Bayonetta verteidigt sie vor angreifenden Engeln.
Sie übergibt das Mädchen an Luka und greift dann Sapientia (eine der vier großen Engeln, Kardinaltugend genannt) an, die nach ihrer Niederlage Bayonetta mitteilt, dass das Linke Auge, das Bayonetta bereits zu besitzen glaubt, nur ein wertloser Stein ist. Nach dem Kampf machen sich Bayonetta, Luka und Cereza in einem Helikopter auf den Weg zur Isla del Sol.
Auf der Insel angekommen werden sie erneut mit Jeanne konfrontiert, die enthüllt, dass Bayonetta das Kind einer Umbra-Hexe und eines Lumen-Weisen ist. Ein Umstand, der von beiden Clans strikt verboten war, da dies einer Sage nach Unheil über die Welt bringen würde. Jeanne erzählt ihr, dass aus diesem Grund, Bayonetta leben zu lassen, eine Gefahr für die Welt wäre, die sie nicht akzeptieren könne.
Im entscheidenden Kampf erleidet Jeanne eine Niederlage und teilt Bayonetta mit, dass der Grund, dass sie das Linke Auge besitzt, sei, dass sie ihr Schicksal angenommen hat, die Welt ins Unglück zu stürzen. Bayonetta übergibt Jeanne den Edelstein, den sie immer bei sich getragen hat und kann sich plötzlich wieder erinnern. Sie lebte bereits vor 500 Jahren, ihr richtiger Name ist Cereza und Jeanne war einmal ihre Freundin.
Es war Jeanne, die sie in dem See versiegelte und ihr zu ihrem Schutz den Edelstein gab.
Als Bayonetta mit Luka und Cereza wieder zusammentrifft, hört Cereza plötzlich eine bekannte Stimme und behauptet, dass das ihr Vater sei, der dort spricht. Bayonetta folgt ihr und trifft Vater Balder, den letzten der Lumen-Weisen. Balder offenbart, dass er Bayonettas Vater ist und die drei Universen, Inferno, Paradiso und die menschliche Welt, vereinigen möchte, indem er Jubileus, den Schöpfer, auferstehen lässt.
Um das zu erreichen, benötigt er die Augen der Welt, und eines dieser Augen ist Bayonetta selbst. Balder erklärt, dass aufgrund des Verlusts ihrer Erinnerung, Bayonetta das Linke Auge nicht erwecken konnte.
Cereza, das kleine Mädchen, das ihr folgte, ist in Wirklichkeit Bayonetta selbst. Ihr jüngeres Ich gehörte zu dem Plan, sie dazu zu bringen, sich zu erinnern. Balder erzählt weiter, dass er Jeanne einer Gehirnwäsche unterzogen habe, um sie dazu zu bringen, ihm zu gehorchen, und sie als Werkzeug zu benutzen.
An diesem Punkt greift Bayonetta an und besiegt ihn.
Nach dem Kampf nutzt Bayonetta ihre Fähigkeit, die Zeit zu manipulieren, und öffnet ein Zeitportal, um ihr junges Ich, Cereza, in ihre Zeit zurückzubringen. Dadurch erlangt sie all ihre Erinnerungen zurück und wird ohnmächtig. Ein scheinbar unverletzter Balder taucht wieder auf und behauptet, dass somit das Linke Auge erwacht sei. Er bringt sie auf die Spitze des Turms, auf der die Jubileusstatue steht und legt sie in das linke Auge. Er selbst nimmt den Platz des Rechten Auges ein. Der Turm bricht zusammen und enthüllt eine Rakete, die die Statue mit Bayonetta und Balder in den Weltraum schießt.
Während Bayonetta im Auge gefangen ist und Jubileus erwacht, taucht Jeanne plötzlich wieder auf. Der Edelstein, den Bayonetta ihr gab, hat die Gehirnwäsche Balders gelöst und sie konnte sich vor den einschlagenden Geschossen schützen. Sie zieht Bayonetta aus dem Auge der Statue. Jubileus erwacht und konsumiert Balder. Bayonetta und Jeanne können die Gottheit in einem ultimativen Kampf besiegen, zum Teil, da Jubileus ohne Bayonetta als Linkes Auge nicht über die Macht des Infernos besaß und nicht zu voller Stärke erwacht war.