Děj hry je zasazen na počátek dvacátého století a odehrává se v prostorách lodi S.S. Thalassa, která má za cíl vyzvednout potopenou španělskou galeonu kdesi v Karibiku. Archeologická výprava se ale mění v tragédii, načež je Thalassa potopena i se svou posádkou. Potápěčka Cam, která palubu opustila před katastrofou, se vrací do útrob lodi uvězněné na mořském dně, aby odhalila pravdu o tom, co se vlastně stalo.

Thalassa: Edge of the Abyss je explorativní 3D adventura z pohledu vlastních očí, v níž se v kůži potápěčky stižené výčitkami a smutkem kvůli osudům bývalé posádky hráči pohybují po mořském dně a uvnitř vraku lodi. Zde vyšetřují potopení lodi hledáním vodítek a postupným skládáním událostí a příběhů jednotlivých členů výpravy prostřednictvím písemností, zvukových nahrávek a deníků. Ne všechny prostory jsou přístupné hned a na otevření některých musí hráči nejprve získat příslušný nástroj nebo klíč.