Warhammer 40.000: Space Marine – це шутер від третьої особи, дія якого відбувається у всесвіті Warhammer 40.000. Гравець перебирає роль капітана Титуса, члена Ультрамаринів, елітного підрозділу Космічної піхоти. Його місія: відбити вторгнення орків на промислову планету Грайя. Там зберігається суперзброя, і орки не повинні її захопити. Йому також доведеться мати справу з морхами Хаосу та іншими інопланетними расами.
Геймплей простий: ходіть – в основному разом із двома піхотинцями – за рівнями і вбивайте ворожі полчища. У розпорядженні Титуса безліч видів зброї далекого і ближнього бою, але основний акцент робиться на ближній бій. Як і в більшості подібних ігор тут є комбо-атаки, які виконуються за допомогою правильних кнопок і в потрібний момент. Крім того, він може завдавати особливо потужних ударів, коли запрацює досить люті, вбиваючи ворогів. Титусу також доводиться вирішувати завдання у рейкових стрілялках, а іноді він отримує реактивний ранець та більш відкритий дизайн рівнів. Для того, щоб врахувати, що герой належить до класу космічних піхотинців, тут немає системи укриттів і використовується поєднання регенерації щита та здоров'я, яке можна відновити, виконуючи страти.