Giống như người tiền nhiệm của nó, Half-Life 2 là một trò chơi bắn súng góc nhìn thứ nhất một người chơi được chia thành nhiều chương, và luôn luôn điều khiển nhân vật chính Gordon Freeman. Phần 2 có cơ chế tương tự Half-Life, bao gồm các hệ thống vũ khí, lượng máu và các câu đố định kỳ, ngoại trừ với công cụ Source mới hơn và đồ họa cải tiến. Người chơi cũng khởi đầu với hai bàn tay trắng, sau đó tìm kiếm vũ khí và vật phẩm trong suốt quá trình chơi.

Half Life 2 có nhiều kẻ thù đa dạng, thường tấn công người chơi bằng những chiến thuật khác nhau: một số tạo thành nhóm để đối đầu và tiêu diệt người chơi; một số khác, chẳng hạn như Manhack, bay thẳng vào người chơi ở những nơi tăm tối và chật hẹp. Gordon có thể giết hầu hết kẻ thù bằng vũ khí của mình, hoặc sử dụng các phương tiện, dụng cụ như thùng thuốc nổ, lửa hoặc các loại bẫy ngẫu nhiên. Trong một số chương của trò chơi, Gordon có thể được hỗ trợ tối đa bốn người lính thuộc Quân kháng chiến hoặc quân y.

Trong một chương của trò chơi, Gordon có được Súng trọng lực, cho phép anh ta kéo các đồ vật về phía mình hoặc đẩy chúng ra xa, cũng như khả năng điều khiển các vật thể lớn hơn và nặng hơn mà Gordon không thể di chuyển. Súng trọng lực được sử dụng để giải các câu đố, và cũng có thể được sử dụng trong chiến đấu, vì bất kỳ vật thể nào trong phạm vi gần với người chơi đều có khả năng được sử dụng làm vũ khí hoặc phòng thủ, như tủ hồ sơ hoặc can xăng và lưỡi cưa.