Основные события происходят в 2277 году, спустя 200 лет после ядерной войны и 36 лет после событий Fallout 2 на месте бывшего Вашингтона и округа Колумбия, ныне известного как Столичная пустошь (Capital Wasteland). По сравнению с пустошами Западного побережья Столичная пустошь очень мала, однако насыщена примечательными объектами и населёнными пунктами. В игре есть ряд строений, как фиктивных, существующих в рамках вселенной Fallout (фабрика Nuka-Cola, автомобильный завод Crysalis, Анкориджский мемориальный комплекс), так и реальных архитектурных памятников (Монумент Вашингтона, Мемориал Линкольна, Капитолий, Пентагон) а также кратер на месте Белого Дома, разрушенного ядерным ударом.

Столичная Пустошь стала ареной для выживания и влияния различных группировок, начиная от осёдлых жителей небольших городков (некоторые насчитывают не более десятка жителей), беспринципных рейдеров, супермутантов, одичавших гулей и заканчивая организованными группировками, такими как работорговцы, Братство Стали, отколовшиеся от них Изгои, Компания Коготь и Анклав. Стороны ведут непрерывную войну между собой за каждый стратегически важный объект.

Немаловажная роль отводится Вашингтонскому метрополитену, через туннели которого игроку придётся пробираться в случае, когда путешествие по поверхности невозможно.

Игровая вселенная Fallout 3 оформлена в стиле пятидесятых годов XX века, однако по своему технологическому развитию мир к моменту начала Великой войны 2077 года, за 2 часа уничтожившей практически всю земную цивилизацию, намного опережал реальный. Автомобили с атомными двигателями как альтернативными источниками энергии, повсеместное распространение роботов-помощников по дому, роботов-охранников и даже роботов-солдат, лазерное и плазменное оружие — примеры технологического скачка в альтернативной реальности мира Fallout 3. При этом многие технологии остались на уровне середины XX века, например, телевизоры с маленьким экраном, бытовая техника и многое другое.