Spillet består hovedsakelig av en serie med gåter som må løses ved å bruke «portaler» som spillets hovedperson kan skape med et slags gevær. Portalene kan lages på plane flater, og åpner en «dør» mellom to og to portaler. En kunstig intelligens kalt GLaDOS hjelper i utgangspunktet spilleren gjennom noe som tilsynelatende er en treningsløype ved «Aperture Science Enrichment Center», og lover spilleren kake når alle oppdragene er utført. GLaDOS utvikler seg til å bli stadig mer gal og kommer med en rekke humoristiske utsagn. Det mest kjente sitatet fra spillet er kanskje («Kaka er en løgn»), som står skrevet på veggen flere steder i spillet.