Portal 2 is een puzzelspel waarin je terugkeert naar het Aperture Science-laboratorium om nieuwe gebieden te verkennen. De kwaadaardige AI GLaDOS speelt opnieuw een centrale rol in het verhaal. Daarnaast is er een coöperatieve modus waarin je samen met een andere speler verschillende puzzels oplost als een van twee nieuwe personages.
Het verhaal draait om Cave Johnson, een excentrieke miljonair en baas van Aperture Science. Zijn gedrag wordt steeds onvoorspelbaarder naarmate hij zijn grip op de wereld verliest en zich afsluit van de buitenwereld. Zijn persoonlijkheid en acties vormen een belangrijk onderdeel van de humor en spanning in het spel.
Hoewel Portal 2 eruitziet als een schietspel, draait het om het oplossen van puzzels in een driedimensionale omgeving. Met het portal-geweer creëer je twee portalen: een ingang en een uitgang. Deze kun je gebruiken om door het lab te lopen, objecten te verplaatsen of vijanden te ontwijken. Het uiteindelijke doel is om een uitgang te vinden – en ja, er is geen cake.