Batman: Arkham City - это продолжение Batman: Arkham Asylum, в котором главным героем снова выступает супергерой в маске Бэтмен. Действие игры происходит через полтора года после событий оригинальной игры. После того как Джокеру не удалось захватить психушку, бывший надзиратель Куинси Шарп берет на себя ответственность за предотвращение катастрофы и, пользуясь популярностью, становится мэром Готэм-сити. Для дальнейшего подавления преступности строится огромная тюрьма под открытым небом под названием Аркхэм-Сити. Граждане (в частности, журналисты) находятся под строгим надзором, и достаточно малейшего нарушения порядка, чтобы попасть в тюрьму. Шарпу помогает психиатр Хьюго Стрэндж, а для поддержания порядка он нанимает вооруженные силы нелегальной охранной фирмы TYGER Security. История Бэтмена начинается с того, что его, как Брюса Уэйна, отправляют в Аркхэм-Сити после того, как он заявил на пресс-конференции о своем несогласии с этим учреждением. Стрэндж знает о двойной личности Уэйна, но ему удается сбежать от Пингвина, и он получает свое снаряжение обратно через Альфреда Пенниворта, что позволяет ему превратиться в Бэтмена и бороться с объектом изнутри. Большая часть сюжета также вращается вокруг странной болезни под названием "формула Титана", которой заразился Джокер, и секретного плана под названием "Протокол 10". Среди других известных персонажей франшизы - Женщина-кошка, Мистер Фриз, Ра'с аль Гул и Клэйфэйс.
В игре есть открытый мир, в котором Бэтмену предстоит исследовать второстепенные цели и пути, расположенные рядом с основной сюжетной линией. Как и в первой игре, Бэтмен имеет доступ к большому количеству приемов ближнего боя, которые можно объединять в комбо и броски, а также к большому арсеналу гаджетов, используемых в бою, для решения головоломок или для передвижения по окружению. В большинстве ситуаций есть выбор: идти в лобовую атаку или двигаться более бесшумно, скользя и используя скрытность. В начале игры у Бэтмена есть все гаджеты из первой игры с улучшенными способностями, а позже становятся доступны новые. Улучшенные способности включают в себя использование крюка для захвата во время скольжения, чтобы достичь более высоких мест, пусковую установку, которая также может действовать как канат с перекидным механизмом для запуска другой линии в другом направлении, встроенный ускоритель и тормоз для бэтаранга, а также возможность отслеживать сигналы с помощью криптографического секвенсора. Некоторые из новых гаджетов позволяют Бэтмену замораживать врагов и воду с помощью ледяных гранат, взрывать взрывчатку и глушить оружие с помощью дезинтегратора, запутывать врагов дымом, приводить в действие электрооборудование и бить врагов электрошокером.
Из оригинальной игры остался режим "Детектив", представляющий собой форму дополненной реальности, в которой улики и враги становятся более четкими. Теперь он чаще используется для криминалистических головоломок, например, чтобы проследить происхождение предметов. Бэтмен также имеет доступ к базе данных преступников. Во второстепенных заданиях ему часто приходится собирать трофеи, спрятанные Риддлером, всего в игре 440 заданий.
Помимо Бэтмена, в игре можно играть и за Женщину-кошку, выполняя ряд миссий в основной кампании. Ее можно получить, введя одноразовый код, поставляемый с каждой новой копией игры для Xbox 360 и PS3. Для ПК она была сразу же добавлена в игру. У Женщины-кошки другой, более акробатический стиль боя с использованием боласа, хлыста и когтей. Режим детектива для нее называется Thief Vision и позволяет ей красть предметы. Некоторые второстепенные головоломки можно пройти только в роли Женщины-кошки. Консольные версии поддерживают режим стереоскопического 3D.