События Call of Duty: Modern Warfare 2 разворачиваются спустя пять лет (то есть, в 2016 году) после окончания Call of Duty 4: Modern Warfare. Российская ультранационалистическая организация, несмотря на гибель своего лидера Имрана Захаева победила в Гражданской войне в России. Однако среди ультранационалистов произошёл раскол и один из их руководителей, Владимир Макаров вновь ушёл в подполье. Он организовал многочисленные террористические акты против западных стран. Опасаясь укрепления позиций Макарова, НАТО сформировало элитный отряд ОТГ-141, возглавляемый американским генералом Шепардом, для борьбы с террористами.


Геймплей игры стандартен для серии и вообще для линейных шутеров и является развитием наработок игры Call of Duty 4: Modern Warfare. Действие игры происходит во многих уголках мира, таких как США, Афганистан, Казахстан, Бразилия и Кавказ. Игрок участвует в линейных миссиях за нескольких бойцов регулярных частей и спецназа западных стран и выполняет простейшие задачи: пробивается через разнообразные уровни, уничтожает противников, сбивает из ракетных установок вертолёты, управляет стационарными пулемётами, иногда использует транспорт и т. д.

Сюжет в игре Modern Warfare 2 абсолютно линеен, игровые ситуации полностью подчинены сценарию. Вся игра строится на основе линейного геймплея. Почти все уровни построены на основе т. н. «коридорного» дизайна. Например, разрушаемое окружение в игре строго предопределено, даже из мощнейшего оружия невозможно уничтожить большинство объектов на уровне.

В игре присутствуют новые элементы игры, например, подъём по обледенелому склону, бой на снегоходах и плавание на моторных лодках. Появились и элементы нелинейности, нехарактерные для серии Call of Duty. В первый раз в серии игрокам предоставлена возможность стрелять сразу из двух пистолетов или обрезов по-македонски.

Игровой искусственный интеллект врагов был очень серьёзно переделан по сравнению с Call of Duty 4: Modern Warfare[12]. Разработчики дали большую свободу перемещения по локации для противников. Была кардинально пересмотрена система респауна. В некоторых миссиях игроку необходимо незамеченным преодолеть патрули противника; при этом враг реагирует на шум, издаваемый игроком. Если игрок не замечен противником, то они занимаются своими обычными делами: патрулируют территорию, общаются, курят и т. д.

• Team Deathmatch («командный бой») — стандартный Deathmatch. Для победы команде необходимо набрать определённое количество очков — 7500, очки начисляются за убийство игрока из команды соперника, одно убийство — 100 очков. Если за назначенное время ни одна команда не достигнет необходимого результата, победа начисляется за простое большинство в счёте. Особенность — возможность участия в команде отрядов, состоящих из друзей.
• Mercenaries Team Deathmatch («командный бой, наёмники») — стандартный team deathmatch, правила те же, что и в режиме Team Deathmatch («командный бой»), особенность — запрещены играющие вместе друзья.
• Team Deathmatch Express («быстрый командный бой») — стандартный team deathmatch. Особенность — перерыв между боями сокращён с 60 до 20 секунд.
• 3rd Person Team Deathmatch («командный бой от третьего лица») — стандартный Deathmatch с меньшим количеством игроков и видом от третьего лица(позже был отменен).
• Hardcore Team Deathmatch («командный бой, повышенная сложность») — Deathmatch с включённым hardcore.
• Ground War («наземные войны») — Чередование стандартного team deathmatch и Domination. Максимальный по численности режим — 18 человек.
• Free-For-All («каждый за себя») — каждый играет за себя, для победы игроку надо сделать 30 фрагов.
• Search & Destroy («бомба») — для победы нужно взорвать или не дать взорвать одну из целей, либо уничтожить всех игроков вражеской команды.
• S&D Ricochet Hardcore («Бомба, повышенная сложность, рикошет») — Search & Destroy с включёнными отражением дружественного огня и хардкором.
• Sabotage («диверсия») — две команды охотятся за бомбой, пытаясь поставить её на объект соперника.
• Domination («превосходство») — для победы надо захватить минимум два флага и удерживать их большую часть игрового времени.
• HQ Pro («штаб, профи») — время от времени на карте появляется специальный ноутбук (штаб), задача команды — захватить его и удерживать как можно дольше, не давая уничтожить штаб команде соперника (за удержание даются очки). Во время удержания штаба возрождение игроков после смерти отключено.
• Hardcore Ricochet: HQ Pro («Штаб, профи (рикошет, повышенная сложность)») — HQ Pro с включёнными отражением дружественного огня и хардкором.
• Capture the Flag («захват флага») — стандартный Capture the Flag. Для победы нужно не дать захватить свой флаг команде соперника и в свою очередь захватить и принести на базу как можно больше вражеских флагов.
• Demolition («уничтожение») — для победы нужно уничтожить обе цели, у каждого игрока есть бомба. Обороняющейся стороне нужно защитить хотя бы одну цель.
• 3rd Person Cagematch («бой в клетке от третьего лица») — бой (дуэль) между двумя игроками от третьего лица. Для победы надо первым набрать 20 фрагов
• Mosh Pit («микс») — комбинация из нескольких различных режимов.