Příběh hry se točí okolo konfliktu lidí s mimozemskou rasou Krillů, jejichž lodě zaútočily na Zemi. Hlavní postavou je elitní pilot Ian Recker, vítěz mnoha potyček s plavidly Krillů, jenž pro svou příští misi vezme roli dvojitého agenta. Nepřátelé mají podle informací v plánu sestavit novou zbraň a Recker se má snažit tomu zabránit. Jenže brzo je Recker "zajat" a dostane parazitické brnění, jež ho učiní silnějším a schopným ovládat mimozemské biologické koráby. Recker také poznává, že konflikt není tak černobílý, jak se na první pohled zdá a musí přehodnotit některé skutečnosti, jimž doposud věřil.

Žánrový propletenec Sigma Star Saga v sobě kombinuje sidescrolling shoot 'em up, v němž z bočního pohledu ovládáte loď, a mise z ptačí perspektivy, kde naopak hrajete za samotného hrdinu, který se v prostředích různých planet pohybuje pěšky. V arkádových částech dostanete do rukou některou z řady lodí a musíte likvidovat armády nepřátelských plavidel, přičemž za jejich sestřelování dostáváte zkušenosti, jimiž si vylepšujete útočný i obranný potenciál. V top-down částech se posouváte v příběhu, vedete rozhovory s dalšími postavami, řešíte hádanky, překonáváte překážky a bojujete s protivníky s asistencí rozšiřujícího se arzenálu zbraní a udělátek. Nacházíte také Gun Data, které poslouží pro customizaci vašich kanónů, druhů střel a typů nárazů. Tyto vylepšení lze přitom dle libosti kombinovat. Hra také nabízí čtyři možné konce.