Portal 2 является продолжением игры Portal и предлагает тот же игровой процесс с головоломкой от первого лица. Игроки продолжают историю, взяв на себя роль молодой женщины Челл, которая в первой игре победила компьютерную систему искусственного интеллекта GLaDOS. После событий первой игры она была помещена в стазис, но в конце концов снова пробудилась. Действие сиквела по-прежнему происходит в Aperture Science Labs, но теперь она охвачена упадком и природой. Намного чаще, чем в первой игре, Челл выходит за пределы чистых испытательных камер и исследует мрачную промышленную обстановку лаборатории.
Как и в первой игре, игровой процесс основан на порталах. Стреляя начальным и конечным порталом в соответствующие поверхности, можно преодолеть определенные непересекаемые пропасти. Как и в первой игре, здесь есть множество испытательных камер, где нужно решать головоломки, используя кубы, турели, платформы и специальные трюки с порталами, чтобы набрать большую скорость. GLaDOS возвращается, чтобы подразнить Челл, и она замышляет месть за свое уничтожение, но есть большое количество поворотов, которые делают ее роль совсем иной, чем в первой игре. Челл получает помощь от Уитли, маленького робота, который открывает для нее входы и остроумно рассказывает об окружающей обстановке.
Среди новых элементов геймплея сиквела - световые мосты, перенаправление лазера и гели, похожие на краску, созданные в рамках студенческого проекта Tag: The Power of Paint. Гели обеспечивают дополнительную скорость, прыжок или нейтрализуют эффекты. Их также можно использовать с такими объектами, как кубы или турели.
В игре совершенно новый кооперативный режим для двух игроков, в котором есть своя отдельная кампания с уникальным сюжетом, испытательными камерами и двумя новыми персонажами (Атлас и Пи-тело).