NieR: Automata là một trò chơi hành động nhập vai trong đó người chơi đóng vai những Android chiến đấu thuộc đơn vị YoRHa trong một môi trường thế giới mở. Cùng với việc định hướng di chuyển, sử dụng những vật phẩm đặc biệt cho phép người chơi cưỡi những con thú hoang như lợn rừng, hươu, và trong một số màn chơi là những bộ giáp cơ động, có thể chuyển thành máy bay để chiến đấu với những kẻ địch trên không trung[1][2]. Trong một số môi trường nhất định, góc camera chuyển từ góc nhìn thứ ba sang góc nhìn ngang[3]. Một số khu vực có bục nhảy, bắt người chơi phải nhảy lên các vật thể để vượt qua. Người chơi cũng có thể nhận và thực thi các nhiệm vụ được giao bởi các NPC rải rác khắp thế giới trong game. Cửa hàng cho phép người chơi mua vật phẩm, bao gồm vật phẩm tiêu thụ giúp hồi máu.[2]

Giao tranh chủ yếu theo phương thức hành động, người chơi sẽ phải đấu với các kẻ thù theo thời gian thực trong một môi trường mở. Trong giao tranh, người chơi có thể sử dụng các đòn tấn công nhẹ (tốc độ ra đòn nhanh nhưng yếu) và tấn công dồn lực (chậm nhưng nhiều sát thương). Người chơi cũng có thể tránh khỏi các đòn tấn công của kẻ thù bằng cách kết hợp các phím một cách chính xác khi kẻ địch tấn công và tung ra hiệu ứng phản công đặc biệt, thứ sẽ gây ra lượng lớn sát thương. Bên cạnh người chơi là những Pods, một dạnh robot hỗ trợ có thể bắn đạn liên thanh hoặc laze, tên lửa. Có nhiều dạng vũ khí như kiếm ngắn, đại đao, thương, các loại nắm đấm, và cả đòn đánh tay không. Người chơi có thể kết hợp 2 loại vũ khí và đưa ra các dạng kết hợp đòn đánh khác nhau. Các loại vũ khí khác nhau cũng có cơ chế sạc và phóng để tăng sát thương[1][3]. Ngoài ra, mỗi loại vũ khí cũng có cốt truyện riêng.[4]

Trong quá trình chơi, có thể tăng kinh nghiệm, cấp độ, HP, lực phòng ngự và tấn công[1]. Vũ khí được nâng cấp ở cửa hàng bán vũ khí, còn các dạng tăng tiến sức mạnh khác có thể nâng qua hệ thống Chip[5] gắn vào người nhân vật. Số lượng chip gắn vào nhân vật là giới hạn và có thể mở rộng đến một mức độ nhất định. Chip cũng có thể được nâng cấp, và có thể kiếm được thông qua phá hủy các cỗ máy, làm nhiệm vụ hoặc mua trong cửa hàng[2]. Nếu người chơi chết, sẽ được hồi sinh ở điểm Save Point gần nhất. Sau đó, người chơi có thể tìm lại xác chết trước đây để thu thập lại Chip, và có thể sửa chữa xác chết cũ để có thêm một đồng minh, nhưng xác chỉ tồn tại trong một thời gian nhất định.[1]