前作《地铁2033》改编自同名畅销小说，而本作则延续前作的其中一个结局，讲述主角在轰炸黑暗族所盘踞的植物园地铁站后遭遇的一系列事件。游戏仍然分为地面探索和地下历险两部分，在地面时，玩家需要频繁地更换面罩滤嘴，并躲避各种生化与核污染区域，搜刮资源，对抗各种危险而致命的变异生物。在相对安全的地下世界，因为阵营之间存在着冲突，所以玩家必须与各种人类敌手交锋，并努力让自己在战斗中幸存下来。除了枪战，玩家还可以通过场景中的各种通道和暗处来潜行躲避敌人，并用暗杀和飞刀来偷偷解决拦路的敌兵，甚至能通过拧松灯泡和吹灭蜡烛来创造潜行条件。