Основная статья: Oblivion Lost
Идеи игрового мира S.T.A.L.K.E.R.: Тень Чернобыля базируются на повести братьев Стругацких «Пикник на обочине», снятого по её мотивам фильма режиссёра Андрея Тарковского «Сталкер», а также на реальной. Разработчики рассматривали идею создания игры на основе зоны отчуждения ещё задолго до начала разработки S.T.A.L.K.E.R. Однако мысль о создании продукта, основанного на смешении «Пикника на обочине», сталкерства и зоны отчуждения возникла накануне второго официального анонса игры в марте 2002 года.
Изначально концепция данного проекта, имевшего тогда рабочее название Oblivion Lost , никак не относилась к Чернобылю. Как подтверждают сами разработчики, его сюжет был схож с сюжетом фильма « Звёздные врата ». Действие игры должно было происходить в будущем — во время галактических империй, с тысячами населённых планет и разумных рас. По сюжету, путешествие между планетами осуществляется с помощью порталов — недавнего научного открытия. Игрок и его группа являются частью авангарда  и играют роль первопроходцев — первыми встречаются с новыми, неизвестными до этого и, возможно, представляющими опасность, мирами. В игре должны были присутствовать постройки ацтеков . Данная идея успела перейти на стадию разработки — сотрудники компании создали рабочую версию «первой» Oblivion Lost.
Однако концепция игры, схожая со «Звёздными вратами», показалась разработчикам вторичной. В рамках создания такой игры требовалась проработка множества виртуальных миров, что небольшой фирме было не по силам. Команда поняла, что создание «ультрареалистичного» игрового мира будет для неё более подходящей задачей, нежели создание фантастического. Кроме того, разработчики хотели найти уникальную для игровой индустрии идею, чтобы встать в один ряд с лучшими разработчиками уже после своего первого большого проекта, и понимали, что их текущая идея, повторяющая уже созданные вещи, таким требованиям не соответствует.  29 марта 2002 года  они съездили на экскурсию в зону отчуждения. Это явилось последним шагом к решению о полной замене концепции: она стала напрямую относиться к Чернобыльской АЭС и местности вокруг неё.
Кроме литературных произведений, на концепцию игры, по словам разработчиков, значительное влияние оказали другие компьютерные игры со свободным нелинейным геймплеем — такие как Daggerfall и Morrowind. Также в качестве источников вдохновения ими упоминались игры Half Life , System Shock, Deus Ex.

Проект разрабатывался с 2001 по 2007 год. За это время игра трижды меняла своё название, а вместе с ним и свою сюжетную концепцию. Разработка игры началась с создания компанией GSC Game World в 2001 году игрового движка X-Ray Engine, удовлетворяющего современным по тем временам требованиям. Разработчики приняли решение о создании проекта под названием Oblivion Lost (рус. Потерянное забвение), базирующегося на этом движке  . В начале сентября 2001 года информация об игре была впервые опубликована  . 13 ноября состоялся анонс игры   : на официальном сайте компании была открыта страница игры, на которой были опубликованы скриншоты, концепт-арты продукта, а также информация о сюжете, особенностях игры и её движка . Согласно одному из заявлений от лица компании, игра была анонсирована спустя полтора года после начала разработки движка X-Ray и через полгода после начала её создания . Издателем игры в странах СНГ должна была стать компания Руссобит-М, издатель в остальных странах мира к тому времени выбран не был.

Жанр игры в то время определялся как командный научно-фантастический 3D-экшен, сюжет её был схож с сюжетом фильма «Звёздные врата» и был никак не связан с Чернобылем. Одна из сборок данной версии Oblivion Lost — сборка № 1096 — несанкционированно попала в свободный доступ в Интернет. Эта сборка играбельна, содержит одну карту, и в основе её сюжета заброшенные постройки ацтеков .

В 2002—2003 годах сотрудники GSC дважды съездили в зону отчуждения и отсняли фотоматериал . Первая экскурсия оказалась важным источником вдохновения для создания игры ; разработчики заявляли о том, что во время прогулки по зоне отчуждения они прочувствовали мрачную атмосферу этого места и решили позже реализовать её в игре . Создатели пообещали, что значительная часть игрового мира будет базироваться на реальной зоне отчуждения, отражённой на фотографиях, сделанных за две поездки . 11 апреля 2002 года был опубликован пресс-релиз по новому игровому процессу и сюжету .

Незадолго до изменения концепции игры разработчики приняли решение о замене её названия. 26 марта 2002 года, до пресс-релиза о новой игровой концепции, был опубликован трейлер игры, в котором указан её новый заголовок — «S.T.A.L.K.E.R.: Oblivion Lost» . 27 марта компания GSC Game World официально объявила об изменении названия продукта . Изначально рассматривался вариант заголовка «Stalker: Oblivion Lost», однако разработчики не смогли получить авторские права на слово «Stalker» . Значение названия не разглашалось — создатели обещали, что его можно будет понять непосредственно в ходе игры . Также 27 марта разработчики анонсировали предполагаемое время релиза игры — начало 2003 года . В апреле информация о релизе была уточнена — третий квартал 2003 года .

Во время разработки игры GSC Game World активно публиковала её скриншоты. В ноябре 2002 года разработчиками было опубликовано видео, демонстрирующее качество изображения, работу движка X-Ray и элементы геймплея, в том числе процесс управления играбельным транспортным средством . Ранее, во второй половине октября того же года был открыт официальный сайт игры S.T.A.L.K.E.R.: Oblivion Lost . Техническим партнёром GSC Game World в то время была компания Nvidia, и разработчики обещали включить в игру поддержку шейдерных возможностей новой линейки графических процессоров GeForce FX .

7 мая 2003 года был официально объявлен мировой издатель S.T.A.L.K.E.R.: Oblivion Lost — американская компания THQ . Компания GSC Game World подписала контракт с THQ на издание игры во всём мире, за исключением постсоветского пространства, где игру должна была издавать другая компания . Время релиза игры было перенесено на второй квартал 2004 года .

В феврале 2004 года, по решению компании THQ, название игры было официально изменено на «S.T.A.L.K.E.R.: Тень Чернобыля». Причиной смены названия послужило то, что издатель посчитал новый заголовок более успешным коммерчески и более благозвучным . Несмотря на старое рабочее название, заголовок «S.T.A.L.K.E.R.: Тень Чернобыля» был известен ещё в 2003 году, когда появился в официальном трейлере игры.

В связи с переходом на новый рендер, игра в срок не вышла, и в июле 2004 года THQ официально объявила о переносе даты релиза на 2005 год.

К сентябрю 2004 года главное достоинство игры стало её же бедой. Испытания сборки показали, что симуляция жизни непредсказуема:
Начались плейтесты, и тут нас ожидает неприятный сюрприз. С одной стороны мы получили потрясающее ощущение живого мира. С другой стороны мы поняли, что игра, которая находится полностью под управлением симуляции жизни без сюжетной последовательности событий непредсказуемая и неуправляемая с точки зрения геймдизайна. Событий было то слишком много, потом долго могло ничего не происходить. Часто возникали ситуации, когда не ясно было, куда идти и что дальше делать. Это был играбельный билд, наиболее близкий к концепции freeplay.
— Антон Большаков
Разработчики осознали необходимость доработки игры, начал формироваться сюжет.

В феврале 2005 года GSC вновь изменила дату релиза на неопределённый срок, сказав при этом — «When it’s done» (рус. «Когда будет готово»). Разработчики полностью погрузились в доработку и «усмирение» системы A-life. Кроме этого большие изменения произошли в геометрии уровней, полностью переработаны несколько локаций. В мае был детально проработан сюжет, оставшийся без изменений до самого релиза. К концу года игра была практически готова, присутствовало множество особенностей, позже вырезанных. Количество ошибок вновь заставило перенести релиз.

В 2006 году началась последняя стадия разработки: оптимизация и бета-тестирование. В марте было принято решение доработать Dx9, что несколько отодвинуло релиз. Было объявлено, что игра должна выйти в первом квартале 2007 года. Через несколько месяцев дата стала более конкретной — март 2007 года. Оставшиеся месяцы GSC тщательно дорабатывали игру и проверяли на наличие всевозможных багов и различных ошибок игры. Незадолго до релиза один из игровых сайтов опубликовал превью «S.T.A.L.K.E.R.: Shadow of Chernobyl», где было отмечено, что из игры, цитата: «…пропали медлительные зомби и стаи крыс», но в целом проекту давалась позитивная оценка. Среди фанов проекта прокатилась волна тревоги по поводу исчезнувшего из игры контента, который был заявлен ранее, но никаких комментариев от GSC не поступило.