В Deathloop игроку предстоит сыграть роль Кольта, убийцы, который застрял во временной петле, очнувшись на пляже острова Блэкриф. Другие жители Блэкрифа, бывшей армейской базы, где когда-то проводились странные эксперименты, вложили деньги в остров и собрались на эту ночь, чтобы устроить вечеринку, которая, кажется, длится вечно, поскольку в конце каждой ночи остров сбрасывается к началу вечеринки в этой временной петле. Из-за этого сброса участники вечеринки не обращают внимания на свои действия или поступки, поскольку они просыпаются в начале цикла без воспоминаний или последствий предыдущего цикла. Хотя Кольт является частью этой петли, он сохраняет воспоминания о каждой петле, изучая поведение и модели поведения участников вечеринки с каждой петлей.
Колту поручено уничтожить восемь целей по всему острову до полуночи, поскольку, если оставить в живых хотя бы одну, петля времени перезагрузится и отменит его работу. Кроме того, если Кольт умрет до того, как уничтожит восемь целей, он вернется в начало цикла. В отличие от The Legend of Zelda: Majora's Mask, другой игры с временной петлей, которая работает в реальном времени, временная петля в Deathloop не имеет строгого таймера и направлена на то, чтобы дать игроку больше времени и свободы для уничтожения восьми целей за один цикл. Игрок использует комбинацию стелса, паркура, навыков атаки, гаджетов и способностей, как в предыдущих играх Arkane Dishonored и Prey, чтобы перемещаться по игровому миру, избегать или уничтожать охранников, а также изучать схемы целей Кольта, чтобы определить правильный порядок их устранения с помощью оружия, атак ближнего боя или других средств воздействия.
В игре есть многопользовательский режим, в котором игрок может взять на себя роль Джулианны, агента, которому поручено защитить временную петлю и уничтожить Кольта. Когда игрок берет на себя эту роль, он попадает в игру случайного игрока и может вмешиваться в его игру. Многопользовательская часть является необязательной, и игроки могут запретить другим игрокам брать на себя роль Джулианны в своей игре, вместо этого предоставив возможность управляемому компьютером противнику попытаться остановить Кольта.