Portal 2 является продолжением Portal и предлагает тот же игровой процесс с головоломкой от первого лица. Игроки продолжают сюжет в роли молодой женщины Челл, которая победила компьютерную систему искусственного интеллекта GLaDOS в первой игре. После событий первой игры она была помещена в стазис, пока в конце концов не проснулась снова. Действие сиквела все еще происходит в Aperture Science Labs, но теперь оно захвачено разложением и природой. Намного больше, чем в первой игре, Челл проходит мимо чистых испытательных камер и исследует мрачную промышленную обстановку лаборатории.
Как и в первой игре, игровой процесс основан на порталах. Стреляя в начальный портал и конечный портал на подходящие поверхности, можно преодолеть некоторые непреодолимые бреши. Как и в первой игре, здесь также есть много тестовых камер, в которых нужно решать головоломки, используя кубики, турели, платформы и специальные уловки с порталом, чтобы набрать большую скорость. GLaDOS возвращается, чтобы дразнить Челл, и она планирует отомстить за свое уничтожение, но есть большое количество поворотов, которые сильно отличают ее роль от первой игры. Челл получает помощь от Уитли, маленького робота, который открывает для нее входы и дает остроумные представления об окружающей среде.