Portal 2 продолжает серию игр, в которых игроку нужно взаимодействовать с порталами. С момента событий первой части прошло много лет, и лаборатория Aperture разрушена.

Главная героиня игры — Челл. Она просыпается в одной из многочисленных лабораторных камер. Её задача — найти выход из злополучного комплекса-лаборатории. В процессе игры Челл узнаёт о произошедших здесь событиях, знакомится с другими персонажами и помогает давнему врагу выполнить задание.

Помимо сюжетного режима, в Portal 2 есть кооперативный режим для двух игроков. В этом режиме вы будете управлять роботами Атласом и Пи-Боди, которые служат GLaDOS. В кооперативе также есть свой сюжет, который не связан с основным, но имеет неожиданный финал.

Действие игры происходит в разрушенном подземном лабораторном комплексе. Челл просыпается по вине Уитли — робота-няньки. Его пробуждение активирует Генетическую Форму Жизни и Операционную Систему Дисков, которые, в свою очередь, активируют портальную пушку.

Робот предлагает Челл пройти испытания. Головоломки в игре основаны на простых логических принципах. Челл должна найти выход из комнаты, активировав красную кнопку. В процессе решения головоломок она использует разнотипные кубы вместо грузов и входные и выходные порталы в качестве опоры. Также есть задачи, связанные с изменением направления лазерных лучей с помощью кубов.

Ближе к концу игры Челл сталкивается с цветными гелями: синие отталкивают, красные скользят, а белые создают порталы.