Setelah game platform side-scrolling awal, Duke Nukem 3D memperkenalkan perspektif orang pertama ke seri ini dan mengubah game tersebut menjadi penembak penuh dengan grafis 2.5D.
Gudang senjata Duke mencakup pistol, bom, ranjau laser, senapan, berbagai peluncur roket, tetapi juga kakinya yang kuat untuk menyerang musuh. Permainan ini memiliki tingkat interaktivitas yang tinggi. Banyak objek di lingkungan yang dapat dirusak atau dimanipulasi, seperti meja biliar, mesin arcade, kaca, saklar lampu, dan kamera keamanan. Protagonis juga dapat memberikan dolar kepada penari telanjang untuk melepas atasannya.
Karakter utama secara teratur mengomentari peristiwa melalui satu baris. Ada dua puluh delapan level, dibagi menjadi tiga episode, bertempat di lokasi seperti jalanan, gereja, stasiun luar angkasa, rumah besar Jepang, lapangan sepak bola, dan banyak lingkungan modern.
Musuh sebagian besar adalah alien, manusia yang bermutasi, dan polisi yang telah berubah menjadi polisi babi. Selain senjata, Duke juga memiliki akses ke peralatan medis, steroid penambah kecepatan, penglihatan malam, sepatu pelindung, hologram yang dikenal sebagai "holoduke", dan jetpack untuk mencapai alam yang lebih tinggi. Sebagian besar gameplaynya berorientasi pada aksi, tetapi ada juga sejumlah teka-teki yang diperlukan untuk maju atau mengakses area rahasia.
