Portal 2 is onderdeel van het Half-Life-universum. De puzzelgame speelt zich honderden jaren na het eerste deel af, kort na de gebeurtenissen in Half-Life 2. Wederom speelt de game zich af in het laboratorium van Aperture Science, dat inmiddels is aangetast door de natuur. Hier moet de speler als Chell, die lange tijd kunstmatig in slaap is gehouden, allerlei puzzels oplossen om langs verschillende gebieden te komen.

Daartoe krijgt de speler de beschikking over een portaalgeweer. Wanneer de speler op twee verschillende muren een portaal schiet, kan hij het ene portaal ingaan, om direct uit het andere te stappen. Op deze manier moet de speler puzzels oplossen om van punt a naar punt b te komen. In de multiplayermodus gaan twee spelers in de vorm van robots gezamenlijk de uitdaging aan om puzzels op te lossen.