Portal 2 es la secuela de Portal y ofrece el mismo juego de plataforma de rompecabezas en primera persona. Los jugadores continúan la historia asumiendo el papel de la joven Chell, que derrotó al sistema informático de inteligencia artificial GLaDOS en el primer juego. Después de los eventos del primer juego, la colocaron en estasis hasta que finalmente se despertó nuevamente. La secuela todavía tiene lugar en Aperture Science Labs, pero ahora está invadida por la descomposición y la naturaleza. Mucho más que en el primer juego, Chell pasa por las limpias cámaras de prueba y explora el sombrío entorno industrial del laboratorio.
Al igual que en el primer juego, la jugabilidad se basa en portales. Al disparar un portal inicial y un portal final en superficies adecuadas, se pueden salvar ciertos espacios infranqueables. Al igual que en el primer juego, también hay muchas cámaras de prueba donde se deben resolver acertijos, usando cubos, torretas, plataformas y trucos especiales de portal para ganar mucha velocidad. GLaDOS regresa para molestar a Chell y ella planea vengarse de su destrucción, pero hay una gran cantidad de giros que hacen que su papel sea muy diferente al del primer juego. Chell recibe ayuda de Wheatley, un pequeño robot que le abre las entradas y le brinda ingeniosas ideas sobre el medio ambiente.
Los nuevos elementos para el juego de la secuela incluyen puentes de luz, redirección de láser y geles similares a la pintura, incorporados a través del trabajo del proyecto estudiantil Tag: The Power of Paint. Los geles proporcionan velocidad extra, un salto o neutralizan los efectos. También se pueden utilizar con objetos como cubos o torretas.
El modo cooperativo para dos jugadores del juego es completamente nuevo y presenta su propia campaña completamente separada con una historia única, cámaras de prueba y dos nuevos personajes de jugador (Atlas y P-body). La versión de PlayStation 3 incorpora algunos elementos del conjunto de herramientas Steamworks y permite juegos multiplataforma contra jugadores de PC.