Roxas profite de ses vacances d'été avec ses amis Hayne, Pence et Olette, dans la Cité du Crépuscule. Depuis quelques temps, il ne cesse faire des rêves de ce garçon qui lui ressemble mais qu'il ne connait pourtant pas. De plus, des évènements inexplicables semblent se produire dans la cité, à commencer par l'apparition de créatures blanches et agiles, les Simili. La Keyblade se manifeste alors dans ses mains et lui permet de s'en débarrasser. Il fait ensuite la rencontre d'Axel, qui se présente comme son ami, ce dont il ne se souvient pas. Roxas s'interroge par ailleurs sur la présence étrange d'une fille blonde à la fenêtre d'un manoir qui semble pourtant abandonné.

En échangeant finalement avec Naminé, Roxas apprend qu'il n'aurait jamais dû exister, qu'il est en réalité le Simili ("Nobody" en anglais) de Sora et que ce n'est qu'en allant à sa rencontre que ce dernier pourra se réveiller. Naminé lui explique également que l'Organisation XIII, dont fait partie Axel, est composée justement de Simili dont le seul but est de pouvoir exister. DiZ apparaît, accompagné d'un homme encapuchonné ayant les traits d'Ansem, puis enlève Naminé. Avant de rejoindre la capsule dans laquelle est retenu Sora, DiZ se présente une dernière fois à Roxas et lui revèle ses intentions : détruire l'Organisation XIII. Finalement, la capsule de Sora s'ouvre et Roxas disparaît.

Sora, Donald et Dingo s'éveillent mais ils n'ont souvenir de la raison de leur long sommeil. Seul un message est visible sur le carnet de Jiminy : Remercier Naminé. Lorsqu'ils visitent la Cité du Crepuscule, ils croisent la bande d'Hayner et même s'il ne les a jamais rencontré, Sora semble les connaître. Grâce aux munnies que le roi Mickey leur délivre, ils prennent le train en direction de la tour de Yen Sid. Ils y rencontrent Pat, qui s'est allié avec Maléfique. De Yen Sid, ils apprennent la nature des Simili, créatures sans émotions émanant de la transformation d'un être en Sans-coeur, ainsi que l'existence de l'Organisation XIII, constituée de Simili puissants et malfaisants mais dont ils ne connaissent pas le dessein. Le roi Mickey investigant sur leur cas, le trio se lance alors à sa recherche.

Ils parviennent au monde du Jardin Radieux, anciennement la Forteresse Oubliée ayant repris sa forme originelle après la défaite d'Ansem. Ils y retrouvent d'anciens amis mais croisent également la route de membres de l'Organisation XIII. Sora, Donald et Dingo s'embarquent de nouveau pour un périple à travers les mondes, parmi lesquels ceux de Mulan, du Roi Lion, de La Belle et la Bête ou encore de Pirates des Caraïbes. Pour préserver des ténèbres le Château Disney, d'où sont originaires Mickey, Donald et Dingo, ils seront même contraints de voyager dans un monde du passé, la Rivière Intemporelle. Pendant ce temps, Axel entre en contact avec Kairi et l'invite à le suivre. Lorsqu'il retourne à la Cité du Crépuscule, Sora croise la route d'un membre de l'Organisation XIII, Saïx, qui lui apprend qu'Axel a cessé d'oeuvrer pour leur cause.

De retour au Jardin Radieux, le groupe déniche l'ancien laboratoire d'Ansem ainsi que son ordinateur de recherche, ce qui leur vaut un petit détour par Space Paranoïds, le monde de Tron. Ils retrouvent le roi Mickey qui leur apprend que l'Ansem vaincu lors de leur première aventure n'était que le Sans-coeur d'un être se faisant lui-même passer pour Ansem : Xehanort, l'un de ses disciples ayant mal tourné. De ce fait, ils comprennent qu'un Simili a été créé à partir de la transformation de cet imposteur et qu'il s'agit du leader de l'Organisation XIII, Xemnas. Ils font ensuite face à une invasion de Sans-coeurs, qu'ils réussissent à éliminer, de même qu'un des membres de l'Organisation, Demyx. Hélas, Sora apprend par l'intermédiaire de Saïx qu'en anéantissant les Sans-coeurs avec sa Keyblade, il sert en réalité les projets de ses ennemis puisque cela permettra à l'Organisation d'accéder au Kingdom Hearts. Grâce à l'aide inattendue de Maléfique, ils parviennent à fuir.

Le trio se lance à la poursuite de l'Organisation afin de mettre fin à leur plan et sauver Kairi, enlevé par leurs membres. En retournant dans les mondes déjà visités, ils éliminent Xaldin puis font la connaissance de Luxord, qui leur échappe. Ils retrouvent le roi Mickey à la Cité du Crépuscule qui leur annonce qu'Ansem le Sage a réussi à infiltrer la forteresse de l'Organisation XIII. Axel se sacrifie afin que le groupe puisse franchir la passerelle menant au monde d'Illusiopolis ("The World That Never Was" en anglais).

Entretemps, Naminé permet à Kairi de s'échapper de sa cellule mais ils sont rattrapés par un être à l'apparence du Sans-coeur de Xehanort. Mickey progresse de son côté et apprend la véritable identité de DiZ : il s'agit d'Ansem le Sage, dont les disciples se sont rebellés pour former l'Organisation XIII. On apprend également que Riku a affronté Roxas et que suite à sa défaite, il a laissé de nouveau les ténèbres s'emparer de lui afin de s'en accaparer la puissance, ce qui a eu pour conséquence de modifier son apparence. Ainsi, après avoir éliminé Xigbar, Sora constate que l'être qui ressemblait à son ancien ennemi n'est autre que Riku lui-même, venu en aide à Kairi et Naminé.

Sora et ses amis se débarrassent tour à tour de Luxord et de Saïx puis se retrouvent enfin devant le dernier membre encore vivant de l'Organisation : Xemnas, le Simili de Xehanort. Grâce à une machine élaborée par Ansem le Sage, le Kingdom Hearts créé par l'Organisation est détruit, libérant au passage les millions de coeurs qui y étaient renfermés. Dans le processus, Ansem décède et Riku retrouve sa véritable apparence. Roxas réapparaît une dernière fois en émanant de Sora et rejoint Naminé, qui est en réalité le Simili de Kairi créé lors de son sauvetage par Sora dans la première aventure. Ils disparaissent tous deux. Xemnas est ensuite vaincu par les efforts combinés de Sora et de Riku. Ils parviennent enfin à retourner sur leur île où les attendent leurs amis.