Nier: Automata es un juego de rol y acción ambientado en un mundo abierto postapocalíptico. Los jugadores pueden explorar a pie, combatir en escenarios aéreos con mecas voladores, o incluso invocar animales salvajes para desplazarse. El mundo está lleno de personajes no jugables que ofrecen misiones secundarias, y en las ciudades o campamentos se pueden comprar objetos, como consumibles para recuperar salud.
El combate es en tiempo real, basado en combinaciones de ataques ligeros y pesados. El jugador puede esquivar con precisión para ganar invulnerabilidad o contraatacar, y cuenta con un robot de apoyo, llamado Pod, que lanza ataques a distancia personalizables. El sistema de armas incluye espadas cortas, espadas largas, lanzas y brazales, y cada tipo ofrece ataques que pueden cargarse para causar más daño. Los tres protagonistas tienen estilos de combate únicos: 2B alterna entre armas, 9S puede hackear enemigos, y A2 puede aumentar su poder sacrificando salud temporalmente.
Los personajes ganan experiencia en combate, lo que mejora atributos como la salud, defensa y ataque. Además, se pueden personalizar mediante chips o fichas que modifican habilidades, el HUD o aplican mejoras de estado. La cantidad de chips que se puede usar está limitada por las ranuras disponibles. Estos se obtienen en tiendas o al derrotar enemigos.
Cuando un personaje muere, reaparece en su último punto de guardado. Es posible recuperar su cuerpo para obtener objetos y bonificaciones, o intentar repararlo para convertirlo en un aliado temporal. Si el intento falla, el cuerpo se vuelve hostil. Con la función online activada, también se pueden interactuar con cuerpos de otros jugadores caídos.
A lo largo del juego, la jugabilidad cambia para incluir otros géneros como shooters y aventuras de texto, y varía la perspectiva entre tercera persona, vista cenital o desplazamiento lateral. También hay segmentos de plataformas. El juego cuenta con 26 finales distintos: cinco principales (de la A a la E) y 21 alternativos (de la F a la Z), que se activan por decisiones, fracasos o acciones específicas. El jugador puede cambiar la dificultad en cualquier momento, y en el modo más fácil se pueden activar chips que automatizan funciones como atacar o esquivar.
La historia transcurre en el año 11945 d.C., miles de años después de los eventos del Nier original, en un universo alternativo relacionado con la serie Drakengard. Sin embargo, no hay una conexión narrativa directa. El conflicto principal enfrenta a los androides creados por los humanos (la fuerza militar YoRHa) contra las máquinas controladas por alienígenas. YoRHa opera desde el Bunker, una base orbital, y colabora con una facción de androides terrestres conocida como la Resistencia.
El personaje inicial es 2B, una androide de combate seria y serena, acompañada por 9S, un androide de reconocimiento más emocional. Más adelante se une A2, una androide de combate obsoleta y solitaria. Los tres cuentan con el apoyo de los Pods 042 y 153, pequeños drones armados. Entre los antagonistas principales están Adán y Eva, gemelos que controlan la Red de Máquinas, y las Chicas Rojas, una conciencia colectiva dentro de esa red.
Otros personajes importantes incluyen al Comandante de YoRHa, la líder de la Resistencia Anemone, Pascal (una máquina pacifista), las androides Devola y Popola (discriminadas por su pasado), y Emil, un personaje recurrente del primer Nier que ha perdido la memoria.