Сюжет в игре Modern Warfare 2 абсолютно линеен, игровые ситуации полностью подчинены сценарию. Вся игра строится на основе линейного геймплея. Почти все уровни построены на основе т. н. «коридорного» дизайна. Например, разрушаемое окружение в игре строго предопределено, даже из мощнейшего оружия невозможно уничтожить большинство объектов на уровне.

В игре присутствуют новые элементы игры, например, подъём по обледенелому склону, бой на снегоходах и плавание на моторных лодках. Появились и элементы нелинейности, нехарактерные для серии Call of Duty. В первый раз в серии игрокам предоставлена возможность стрелять сразу из двух пистолетов или обрезов по-македонски

Игровой искусственный интеллект врагов был очень серьёзно переделан по сравнению с Call of Duty 4: Modern Warfare. Разработчики дали большую свободу перемещения по локации для противников. Была кардинально пересмотрена система респауна. В некоторых миссиях игроку необходимо незамеченным преодолеть патрули противника; при этом враг реагирует на шум, издаваемый игроком. Если игрок не замечен противником, то они занимаются своими обычными делами: патрулируют территорию, общаются, курят и т. д.

Спецоперации

В игре доступен кооперативный режим «Спецоперации» ({{lang-en|Special Ops}}), в который входят миссии, аналогичные по конструкции миссии Mile High Club (эпилог Call of Duty 4: Modern Warfare). Этот режим доступен в отдельном меню и не связан напрямую с основной сюжетной линией, хотя его карты построены на основе сюжетных локаций, некоторые из которых не присутствуют в кампании и портированы из Call of Duty 4 (например, Припять). В игре есть 23 спецоперации, большинство из которых поддерживают одиночное прохождение или совместное прохождение двумя игроками, однако две миссии ориентированы только на кооператив, например, миссия «Наблюдатель», где одному игроку необходимо прорваться через вражеский лагерь, а другому — расчищать путь напарнику, играя за оператора вооружения самолета AC-130. Миссии включают гонки на снегоходах, сражения с бронированными солдатами, отражение волн атак.

За прохождение игры даётся определённое количество призовых звёзд, в зависимости от выбранной сложности. Предусмотрено три уровня сложности: «Рядовой» ({{lang-en|Regular}}), «Офицер» ({{lang-en|Hardened}}) и «Ветеран» ({{lang-en|Veteran}}). Таким образом, в кооперативном режиме всего 23 миссии и игрок может получить 69 звёзд, если пройдёт все 23 миссии на последнем уровне сложности.

Предусмотрено пять групп миссий по сложности: Alpha, Bravo, Charlie, Delta и Echo, названных по первым знакам фонетического алфавита организации НАТО. Высшие группы сложности разблокируются по мере прохождения более лёгких.

Обозреватель портала IGN Дэвид Клэйман ({{lang-en|David Clayman}}) в статье «The Top 25 Xbox 360 Games» заявляет, что в 2009 году этот режим являлся лучшим из всего, что было представлено за этот год для совместного прохождения.

Миссии Спецопераций