Portal 2 є продовженням Portal і пропонує той самий геймплей на платформі від першої особи. Гравці продовжують історію, виступаючи в ролі молодої жінки Челл, яка перемогла комп'ютерну систему штучного інтелекту GLaDOS у першій грі. Після подій першої гри вона потрапила в стаціонарний стан, поки врешті не прокинулася знову. Продовження все ще відбувається в наукових лабораторіях Aperture Science, але зараз воно переповнене тлінням і природою. Набагато більше, ніж у першій грі, Челл проходить повз чисті випробувальні камери та досліджує похмурі промислові умови лабораторії.
Як і в першій грі, ігровий процес базується на порталах. Знімаючи початковий і кінцевий портали на підходящі поверхні, можна подолати певні непрохідні прогалини. Як і в першій грі, є також багато тестових камер, де головоломки потрібно розгадувати, використовуючи кубики, башти, платформи та спеціальні фокуси на порталі, щоб набрати велику швидкість. GLaDOS повертається, щоб дражнити Челл, і вона планує помститися за її знищення, але є велика кількість поворотів, які роблять її роль сильно відмінною від першої гри. Челл отримує допомогу від Уітлі, маленького робота, який відкриває їй входи та дає дотепні уявлення про навколишнє середовище.