В Arkham City есть открытый мир. Игра совмещает в себе стили stealth-action и beat’em up. Все гаджеты полученные в Arkham Asylum, кроме тросомета, доступны игроку с самого начала. Многие из них обзавелись улучшениями и новыми свойствами. Также появились совершенно новые гаджеты, например дымовая граната, служащая для дезориентации врагов. Игра включает в себе головоломки, активное использование «Режима детектива», в котором подсвечиваются скелеты врагов, появляются подсказки и служащим для выполнения различных экспертиз, таких как отслеживание полёта пули снайпера. У игрока есть доступ к уголовной базе данных, которая отслеживает основных злодеев по городу. Rocksteady Studios прокомментировала, что режим детектива будет изменён для лучшего восприятия реальной игры, так как большинство игроков использовали этот режим всю игру. Загадки Риддлера будут в игре, но потребуется больше усилий чтобы их найти.

Кроме основных, присутствуют ещё и второстепенные задания с участием ключевых персонажей. Игрок может двигаться бесшумно, избегая встреч с заключёнными и прочими врагами. Так же можно использовать гаджеты чтобы убрать врагов без особого шума. Если же Бэтмен вступает в бой, то начинает действовать улучшенная боевая система из предыдущей игры, уклоняться сразу от нескольких врагов, быстро реагировать на удары от предметов и использовать все гаджеты в бою. Свободное перемещение по городу немного затруднительно, так как его полностью оккупировали различные банды под руководством Джокера, Пингвина и Двуликого.

Женщина-кошка является играбельным персонажем, которым можно поиграть в определённый сюжетный момент игры. Её боевая система ориентирована на акробатику, использование когтей, хлыста и боло. У неё есть также собственная версия режима детектива (режим воровки), для поиска элементов, которые можно украсть.

Основная сюжетная линия длится около 25 часов реального времени. А общая продолжительность игры составляет 40 часов реального времени, так как 15 часов уйдет на побочные миссии. Также в игре появится около 400 новых достижений. Найтвинг и Робин так же являются играбельными (в challenge и после прохождения игры на среднем\сложном уровне)