Основа геймплея – решение головоломок с помощью специального переносного устройства для создания порталов (Aperture Science Handheld Portal Device). Игрок может создавать порталы на подходящих для этого поверхностях и с их помощью мгновенно перемещать себя и другие объекты из одного места в другое.
Физика в игре имеет большое значение: как и всевозможные объекты, она так же взаимодействует с порталами. В головоломках используется масса интересных элементов, среди которых:
Три типа жидкостей, изменяющие физические свойства поверхностей, которые ими покрыты.
Проталкивающий гель (Propulsion Gel) - оранжевая жидкость, способная увеличить скорость игрока.
Отталкивающий гель (Repulsion Gel) - синяя жидкость, отталкивающая игрока и позволяющая ему совершать высокие прыжки.
Преобразующий гель – белая жидкость, делающая поверхности «порталопригодными».
Вода – жидкость, не изменяющая свойств поверхностей, а, наоборот, отмывающая их.
Транспортная воронка (Excursion Funnel) - туннель из синих спиралеобразных энергетических линий, по которому могут пассивно перемещаться игрок и разные объекты.
Мост из плотного света – собственно, мост из уплотненного света, берущегося с поверхности.
Термический луч подавленности (Thermal Discouragement Beam) – специальный луч, который включает или отключает какое-либо устройство. Способен наносить урон.
Перенаправляющий куб (Pivot Cube) – служит для перенаправления Термического луча подавленности и нажатия кнопок.
Экспериментальный утяжеленный грузовой куб – присутствует еще в первой части игры. Используется для нажатия кнопок. Утяжелённый грузовой шар – применяется так же, как и грузовой куб, с той лишь разницей, чтошар надо помещать в специальные корзины. Также с ним тяжелее взаимодействовать, так как он не может спокойно лежать на месте. Турель – единственный противник в игре. Турели обладают милым характером и бесконечным боезапасом.