Геймплей игры стандартен для серии и вообще для линейных шутеров и является развитием наработок игры Call of Duty 4: Modern Warfare. Действие игры происходит во многих уголках мира, таких как США, Афганистан, Казахстан, Бразилия и Кавказ. Игрок участвует в линейных миссиях за нескольких бойцов регулярных частей и спецназа западных стран и выполняет простейшие задачи: пробивается через разнообразные уровни, уничтожает противников, сбивает из ракетных установок вертолёты, управляет стационарными пулемётами, иногда использует транспорт и т. д.
Сюжет в игре Modern Warfare 2 абсолютно линеен, игровые ситуации полностью подчинены сценарию. Вся игра строится на основе линейного геймплея. Почти все уровни построены на основе т. н. «коридорного» дизайна. Например, разрушаемое окружение в игре строго предопределено, даже из мощнейшего оружия невозможно уничтожить большинство объектов на уровне.
В игру были введены новые элементы, например, подъём по обледенелому склону, бой на снегоходах и плавание на моторных лодках. Появились и элементы нелинейности, нехарактерные для серии Call of Duty. В первый раз в серии игрокам предоставлена возможность стрелять сразу из двух пистолетов или обрезов по-македонски.
Игровой искусственный интеллект врагов был очень серьёзно переделан по сравнению с Call of Duty 4: Modern Warfare. Разработчики дали большую свободу перемещения по локации для противников. Была кардинально пересмотрена система респауна. В некоторых миссиях игроку необходимо незамеченным преодолеть патрули противника; при этом враг реагирует на шум, издаваемый игроком. Если игрок не замечен противниками, то они занимаются своими обычными делами: патрулируют территорию, общаются, курят и т. д.