Batman dùng Remote Electrical Charge chống lại người của lực lượng an ninh Tyger. Batman: Arkham City có tính năng nhấn mạnh về việc sử dụng khéo léo các dụng cụ khi đối mặt với kẻ thù vũ trang.

Arkham City là trò chơi hành động phiêu lưu thế giới mở [9] kết hợp các yếu tố lén lút và beat 'em up chiến thuật. Một số dụng cụ trong trò chơi đầu tiên có sẵn vào lúc bắt đầu của Arkham City, trong khi cái khác trở nên có sẵn trong quá trình chơi [10]. Hầu hết các dụng cụ này được cải thiện hoặc có khả năng mới, ví dụ, Cryptographic Sequencer được dùng để hack consoles bảo mật, cũng có dùng để theo dõi các kênh đài phát thanh sóng ngắn [11], trong khi máy phóng dây câu có thể được triển khai như là dây thẳng hoặc thay đổi hướng trong suốt chuyến bay [12]. Các thiết bị khác trở về từ trò chơi đầu tiên bao gồm: batrang điều khiển từ xa, Explosive Gel nay có thể được triển khai trong chiến đấu và phát nổ để đánh gục kẻ thù [13]; và súng phóng neo có thể được sử dụng trong khi trượt để tạo điều kiện thuận lợi trong di chuyển và trong chiến đấu để tước vũ khí của đối phương từ xa [13]. Thiết bị mới trong kho vũ khí của Batman bao gồm: bom khói làm chưng hửng đối thủ và hỗ trợ chiến thuật lén lút; súng Remote Electric Charge (REC) có thể gây choáng kẻ thù và tạm thời nạp năng lượng cho động cơ [13]; lựu đạn Freeze Blast để đóng băng mục tiêu và có thể được sử dụng trong nước để tạo ra nền tảng tạm thời [10] và Disruptor, có thể dùng để vô hiệu hóa súng và mìn[13].

Trò chơi kết hợp yếu tố giải đố nhiều hơn so với người tiền nhiệm của nó; việc sử dụng "Detective Mode" của Batman, trong đó giúp nổi bật các yếu tố như tình trạng nhân vật và manh mối trên màn hình, được sử dụng để thực hiện các hoạt động pháp y như theo dõi nguồn gốc của một súng trường bắn tỉa. Người chơi có quyền truy cập vào cơ sở dữ liệu hình sự trong đó bao gồm các câu đố pháp y, cũng như một mạng lưới các tần số thông tin liên lạc [14]. Tuy nhiên, đạo diễn nghệ thuật David Hego của Rocksteady mô tả chế độ thám tử mới là "chế độ thực tế tăng cường" và đạo diễn trò chơi Sefton Hill cũng nói rằng mặc dù kẻ thù và chứng cứ có thể được nhìn thấy rõ ràng hơn, phần điều hướng được giảm đi vì họ thấy rằng một số người chơi hoàn thành Arkham Asylum bằng cách sử dụng chế độ thám tử gần như trong suốt toàn bộ trò chơi [15].

Thách thức phụ từ Riddler để thu thập các vật dụng ẩn được đặt xung quanh thành phố cũng hiện diện, nhưng đòi hỏi nỗ lực bổ sung để xác định vị trí, chẳng hạn như thẩm vấn tay sai của Riddler và sử dụng khôn ngoan các dụng cụ để vô hiệu hóa bẫy và các rào cản. Sau khi hoàn thành một số lựa chọn của những thách thức này, Batman phải giải cứu một con tin dân sự tại một trong nhiều bẫy chết của Riddler [14][16].

Batman đánh bại kẻ thù như là minh chứng cho hệ thống chiến đấu "Freeflow" của Arkham City.

Người chơi điều khiển Batman suốt Arkham City để hoàn thành các mục tiêu nhiệm vụ. Ngoài nhiệm vụ chính, trò chơi giới thiệu các nhiệm vụ thứ cấp với nhân vật chính và những câu chuyện của họ. Người chơi có thể lựa chọn để di chuyển âm thầm, tránh các tù nhân và kẻ thù khác bằng cách sử dụng sự kết hợp các dụng cụ để đánh lén đối thủ. Khả năng trượt của Batman cho phép người chơi để lặn xuống và kéo mình trở lại, cho phép người chơi đi qua thành phố bằng đường hàng không. Vào những lúc khác, người chơi có thể chiến đấu với các tù nhân bằng cách sử dụng một phiên bản cải tiến của hệ thống chiến đấu Freeflow từ Arkham Asylum, cho phép khả năng để đối phó với các cú đập mạnh cùng một lúc, bắt đạn ném, khởi động các cuộc tấn công trên không, và tiến hành một loạt các đòn tấn công liên tiếp. Tranh chấp giữa các băng nhóm liên minh với nhân vật phản diện đối thủ thường châm ngòi cho một cuộc chiến tranh, làm phức tạp khả năng di chuyển của người chơi trong Arkham City [14].

Catwoman là một nhân vật có thể chơi được khác có sẵn thông qua chiến dịch Catwoman, ban đầu là nội dung tải về (DLC) trên PS3 và Xbox 360, nhưng sau đó được kèm trong các phiên bản PC và Game of the Year [17][18]. Chiến dịch của Catwoman tập trung vào cốt truyện liên quan đến ăn trộm mà cắt với câu chuyện chính tại các điểm cụ thể trong trò chơi. Chiến đấu của Catwoman nhấn mạnh sự nhanh nhẹn và cho phép sử dụng các loại vũ khí độc đáo như vuốt găng tay và roi da biểu tượng của cô [19][20].

Dax Ginn tiết lộ tại Gamescom rằng trò chơi có khoảng 40 giờ chơi với chiến dịch chính kéo dài 25 giờ và 15 giờ cho các nhiệm vụ phụ [21][22]. Trò chơi có 440 thách thức của Riddler, cấu thành một trong những nhiệm vụ phụ mà người chơi có thể thực hiện [23]. Thay vì dựa trên bản đồ, người chơi có thể đánh dấu các câu đố Riddler khi chúng được tìm thấy và quay lại sau này, nếu họ ban đầu không có các thiết bị cần thiết để hoàn thành câu đố. Một phần của các câu đố là dành riêng cho Catwoman và chỉ có thể được hoàn thành bởi cô [24].

Phiên bản Xbox 360 và PlayStation 3 của Arkham City bao gồm một chế độ stereoscopic 3D cho HDTV 3D và HDTV 2D thông qua kính Inficolor 3D, trong khi phiên bản PC hỗ trợ Nvidia 3D Vision cho phép một chiều sâu 3D thậm chí còn lớn hơn. Nó sử dụng TriOviz cho Games Technology, công nghệ được tích hợp với Unreal Engine 3. Tất cả cảnh chơi và đoạn phim của Arkham City có S3D hỗ trợ [25]. Phiên bản Wii U sử dụng bộ điều khiển màn hình cảm ứng của Wii U để cho người chơi quản lý trang thiết bị và nâng cấp của Batman, vị trí để dán Explosive Gel và xem bản đồ của thành phố. Phiên bản Wii U bổ sung chế độ Sonar giúp làm nổi bật các điểm quan tâm gần đó và Battle Armored Tech Mode (BAT Mode) cho phép Batman tích luỹ năng lượng trong thời gian chiến đấu và khi được kích hoạt, gây thiệt hại gia tăng [8].