Nier: Automata ist ein japanisches Rollenspiel in einer Open-World-Spielumgebung. Die vielfach vorhandenen Charaktere steuert der Spieler durch die Handlung mit der Fähigkeit, die Kamera jederzeit in 360 Grad rotieren zu können. Neue spielbare Charaktere werden mit jedem abgeschlossenen Abschnitt freigeschaltet.
Während das Spiel anfangs als Action-Spiel angekündigt wurde, änderten die Entwickler das Spiel insofern, als es die rollenspielähnlichen Elemente des ursprünglichen Nier behielt. Der Fokus im Spielaufbau liegt auf Waffen mit kurzer Reichweite, wobei einige Schusswaffen-Elemente ebenfalls eingebaut wurden.
Waffengeschichten, ein wiederkehrendes Element in Drakengard und Nier, die an die gefundenen Waffen gebunden sind, wurden ebenfalls eingefügt. Das handlungsorientierte Kampfsystem versetzt den Spieler in die Lage, Feinde in Echtzeit in einer Vielfalt von Umgebungen im Spiel entgegenzutreten. Während des Kampfs kann der Charakter leichte Angriffe verwenden, die schnell und schwach sind, und schwere Angriffe, welche stärker, dafür aber langsamer sind.
Während des Kampfs kann der Spielercharakter feindlichen Angriffen ausweichen und, wenn ein Knopfdruck zeitlich korrekt festgelegt wird, den Charakter vorläufige Unverwundbarkeit erlangen lassen und einen Gegenangriff starten, der schweren Schaden anrichtet. Dem Charakter steht ein zusätzlicher Begleiter zur Verfügung, genannt „Pod“, ein fliegender Roboter, der angeordnete Angriffe ausführt, die angepasst werden können. Wenn er angreift, kann der Charakter sowohl zwischen Waffentypen als auch zwischen Angriffen abwechseln, um Kombinationsangriffe auszuführen. Dem Spielcharakter lassen sich zudem bis zu vier verschiedene Waffen in zwei unterschiedlichen Waffensets zuordnen. Jedes Waffenset enthält dabei zwei Waffen, eine für Fern- und eine für Nahkampfangriffe. Jede dieser Waffen kann genutzt werden, um Fähigkeiten zu Angriffskombinationen zusammenzufügen.
Zusätzlich dazu bietet das Chipsystem die Möglichkeit, weitere Verbesserungen an der Spielfigur durchzuführen. Anzeigen verändernde Chips fügen dem Spieler-Interface weitere Informationen, wie zum Beispiel einer Lebenspunkteanzeige hinzu. Sogenannte „Plug-In-Chips“ verändern die Fähigkeiten je nach Spielstil und verbessern entweder den Angriffsschaden oder die Verteidigungsstärke. Die Anzahl der einsetzbaren Chips ist durch ein Lagersystem des Charakters begrenzt.
Bei Händlern können für in der Umgebung gesammelte Ressourcen und Geld unterschiedliche Ausrüstungsgegenstände gekauft werden. Diese werden genutzt, um Waffen oder Fähigkeiten zu verstärken. Zu den Ausrüstungsgegenständen zählen ebenfalls Verbrauchsgüter wie Energiebatterien. Gekaufte Köder können genutzt werden, um auf dem Planeten verbleibende Tiere kurzzeitig zu zähmen und anschließend auf ihnen zu reiten. In diesem Zustand lassen sich ebenfalls Gegnergruppen bekämpfen.