Rozgrywka Nier: Automata to fabularna gra akcji przedstawiona z perspektywy trzeciej osoby. Zawiera w sobie także elementy z innych gatunków takich jak: hack and slash, shoot 'em up, bijatyki i tekstowej gry przygodowej. Gracz wciela się w YoRHa No.2 Type B. Bohaterka może przemieszczać się pieszo, na grzbietach zwierząt oraz przy pomocy mechów. Rozgrywka skupia się na walce z przeciwnikami – w tym z bossami – przy pomocy różnych umiejętności i broni. Wykonywanie zadań i pokonywanie wrogów pozwala postaci gracza zyskać punkty doświadczenia oraz pieniądze, które pozwalają rozwijać postać. Obecny jest także system tworzenia przedmiotów.
W grze nie ma trybu rozgrywki wieloosobowej, jednakże znajduje się tzw. „system online”. Jego działanie polega na tym, że gdy postać zginie, to traci część ekwipunku (m.in. „plug-in chip”) i aby odzyskać utracone rzeczy należy dotrzeć do miejsca śmierci. Istnieje także opcja naprawienia androida, który przez pewien czas będzie pomagał graczowi w walce. Można naprawiać także androidy, którymi grali inni gracze.
Odbiór