Portal 2 є продовженням гри Portal і пропонує той самий ігровий процес з головоломкою від першої особи. Гравці продовжують історію, взявши на себе роль молодої жінки Челлі, яка в першій грі перемогла комп'ютерну систему штучного інтелекту GLaDOS. Після подій першої гри вона була поміщена в стазу, але зрештою знову прокинулася. Дія сіквела, як і раніше, відбувається в науковій лабораторії Aperture, але тепер вона охоплена занепадом і природою. Набагато частіше, ніж у першій грі, Челл виходить за межі чистих випробувальних камер та досліджує похмуру промислову обстановку лабораторії.
Як і в першій грі, ігровий процес базується на порталах. Стріляючи початковим і кінцевим порталом у відповідні поверхні, можна подолати певні прірви, що не перетинаються. Як і в першій грі, тут є безліч випробувальних камер, де потрібно вирішувати головоломки, використовуючи куби, турелі, платформи та спеціальні трюки з порталами, щоб набрати більшу швидкість. GLaDOS повертається, щоб подразнити Челл, і вона замишляє помсту за своє знищення, але є велика кількість поворотів, які роблять її роль зовсім іншою, ніж у першій грі. Челл допомагає Вітлі, маленький робот, який відкриває для неї входи і дотепно розповідає про навколишнє оточення.