Cave Story se déroule dans les cavernes d'une île volante. Cette île est peuplée par une race de lapins anthropomorphes, appelés Mimigas. Une variété particulière de fleur rouge qui pousse sur l'île plonge les Mimigas, habituellement pacifiques, dans une rage frénétique lorsqu'ils en mangent. L'île cache aussi un artefact appelé Couronne du Démon, qui détient d'immenses pouvoirs magiques. Une armée de robots soldats avait été envoyée en expédition à la recherche de la Couronne du Démon, afin de l'exploiter comme une arme de guerre sur Terre. Ces robots massacrèrent indifféremment les Mimigas pendant leurs recherches, mais furent vaincus quand les Mimigas décidèrent d'ingérer les fleurs rouges en dernier recours. Peu avant le début du jeu, le professeur Booster, la famille Sakamoto et plusieurs assistants formèrent un groupe scientifique pour explorer l'île, mais se retrouvèrent coincés quand leur médecin réussit à obtenir la Couronne : il força alors les membres de l'expédition à rechercher les fleurs rouges.
Une version PC améliorée, intitulée Cave Story+ et développée par Nicalis, est sortie sur Steam le 22 novembre 2011. Cave Story+ inclut un script alternatif, différent de la traduction anglaise originale. Cette version contient tous les modes de jeu additionnels de la version WiiWare, une bande-son remasterisée, ainsi que la possibilité de choisir le style graphique parmi les versions classique, WiiWare ou 3DS.
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