Général
Le jeu garde sa simplicité en termes de jouabilité et de commandes. Le joueur a accès à une large palette d'armes, et peut en porter deux de classe différente (arme de poing, arme d'épaule, lance-grenades...) voire récupérer celles abandonnées ou lâchées par l'ennemi. Les armes disponibles disposent fréquemment d'améliorations : aides à la visée de tous types (viseur laser, lunette thermique, capteur cardiaque, lunette de précision...), lance-grenades, qui sont beaucoup trop puissants ou fusil à pompe intégré, silencieux, etc. Il est également possible de porter deux principaux types de grenades : anti-personnel ou spéciales (aveuglantes ou collantes). D'autres équipements sont à disposition comme le C-4 ou les mines M18A1 Claymore. Le joueur peut être amené à prendre le contrôle d'une tourelle type Gatling, d'une motoneige (d'où il peut tirer sur les ennemis avec un pistolet-mitrailleur), d'un missile air-sol téléguidé depuis une mallette contrôlant un drone Predator, ou encore à escalader un mur de glace en montagne avec des piolets. En termes de mouvement, le joueur peut sprinter, s'accroupir, ramper et sauter. Cependant, la possibilité de se pencher disponible dans les versions PC des précédents opus a été enlevée.
La série des Call of Duty a toujours reposé sur l'immersion, et la mise en scène spectaculaire des niveaux, qui coûtaient souvent la liberté d'action du joueur et dont la linéarité résultante a souvent été critiquée. Néanmoins, cet épisode a certains niveaux plus ouverts permettant de choisir entre plusieurs chemins, et plusieurs manières de mener à bien la mission (par exemple, la troisième mission est censée être jouée discrètement mais le joueur peut choisir de se faire remarquer).
Certains niveaux mettent le joueur dans des situations difficiles telles qu'un combat en pleine favela brésilienne où des civils fuient l'affrontement. Les ennemis font partie d'une milice locale protégeant la cible : un trafiquant d'armes. Il faudra distinguer ces miliciens (ne portant pas d'uniforme) des habitants non hostiles qui ne doivent évidemment pas être touchés.
Les armes ennemies (que le joueur peut ramasser) sont désormais pour la plupart personnalisées, c'est-à-dire avec des accessoires. Cependant, ces accessoires, dans la campagne solo (contrairement au multijoueur), sont prédéfinis et il est impossible de les choisir. L'arme de poing a d'autres « accessoires » que le silencieux : Le joueur peut s'équiper d'un couteau tactique qui fera en sorte que le joueur aura une nouvelle posture où il tient un pistolet d'une main et un couteau de l'autre. Le joueur peut aussi manier deux pistolets (Akimbo) comme par exemple deux Desert Eagle. Il existe deux sortes de pistolets dans le jeu : les armes de poing (semi-automatiques) et les pistolets automatiques (sans pour autant être des pistolets mitrailleurs comme le Beretta 93R). Le PP-2000 russe est placé dans cette dernière catégorie alors que c'est un pistolet mitrailleur. L'Akimbo est également possible avec des pistolets mitrailleurs et deux fusils à pompes (Le Ranger et Le Model 1887).

Mode multijoueur
Le mode multijoueur reste basé sur le système de Call of Duty 4, c'est-à-dire: conservation du système de grade, de la personnalisation des classes, des atouts, des bonus lors des ennemis tués d'affilée (ces derniers peuvent cependant être choisis par le joueur contrairement au précédent opus dans lequel ils étaient prédéfinis)
Il est possible de personnaliser les bonus après des ennemis tués d'affilée (killstreaks), par exemple par l'utilisation d'un AC-130 dont le joueur a pu manier les canons dans une mission solo de Call of Duty 43(nommée "La mort vient du ciel", dans l'acte I), ou d'une bombe nucléaire difficile à avoir (25 tués d'affilée) mais dévastatrice puisque qu'elle met un terme à la partie dès qu'elle explose (l'équipe qui l'a lancée est alors désignée gagnante quelle que soient les scores par ailleurs).
La structure de personnalisation d'une classe a changé : il est maintenant proposé dans Modern Warfare 2 une arme principale, une arme secondaire, un équipement (explosif ou tactique), une grenade non létale, 3 atouts ainsi qu'un bonus de morts que le joueur obtient lorsqu'il meurt plusieurs fois d'affilée sans pouvoir faire de victimes. Celui-ci ne fait plus effet lorsque le joueur parvient à effectuer une élimination (il obtiendra alors un bonus "retour"). L'ancien atout « martyr » issu de Call of Duty 4 a été déplacé dans cette dernière section. Il est possible cette fois « d'améliorer » les atouts, en une version « pro ». Un défi propre à chaque atout permet, une fois rempli, de les améliorer pour qu'ils soient plus performants. Par exemple, l'atout "marathon" qui permet au joueur de sprinter indéfiniment, devient, une fois le défi "pro" terminé (courir une certaine distance) "marathon pro". Il permet toujours de courir indéfiniment mais aussi d'accélérer le passage d'obstacle4. De ce fait, certains atouts du premier Modern Warfare ont été fusionnés à d'autres atouts : l'atout pillard qui permet de se ravitailler aussi bien en munitions qu'en équipement sur les ennemis morts permet de transporter plus de munitions lorsque celui est en version pro, ce qui était l'effet de l'atout cartouchière dans Call of Duty 4. De plus, les armes secondaires peuvent débloquer leurs propres accessoires, mais ne disposent pas de camouflage, ceux-ci étant réservés aux armes principales. De nouveaux accessoires d'arme principale peuvent être débloqués en utilisant d'autres accessoires, par exemple, la lunette thermique est débloquée en utilisant la lunette de visée ACOG.
Une vidéo d'une partie en CTF a confirmé l'arrivée du mode évidemment, mais aussi d'un système de migration d'hôte en cours de partie, de couteaux de lancer (qui peuvent être récupérés) et la possibilité de mettre deux accessoires sur une arme (atout « Bling Bling »)5.
La version PC n'a pas de serveur dédié et de modding, mais un système de matchmaking similaire aux consoles: l'IWNET lié à Steam (donc PunkBuster est remplacé par VAC)6. Une nouvelle très mal accueillie à son annonce par la communauté des joueurs sur PC7. Le nombre de joueurs sur cette plate-forme est limité à 9 contre 9 comme sur console.
Un nouveau mode de jeu existe par rapport aux autres jeux de la série, la 3e personne. Il permet aux joueurs d'évoluer en voyant leur personnage, ce qui en fait le mode le plus technique et donc, réservé au professionnels[réf. nécessaire].

Mode Opérations Spéciales
Le mode Opérations Spéciales (Spec Ops en anglais) est un mode de jeu composé de missions hors-campagne solo dans l'esprit de l'épilogue du 4. Elles peuvent être jouées à 2 en coopération (cependant, pas de co-op dans la campagne solo) localement en split screen (seulement pour les versions console), en ligne ou même tout seul (mais certaines missions ne sont faisables qu'à deux)8. L'ensemble de ces missions serait d'une longueur égale à la campagne solo.[réf. nécessaire]
Il y a 5 ensemble de missions (Alpha, Bravo, Charlie, Delta et Echo) que le joueur débloque un par un en gagnant un certain nombre d'étoiles. Ces étoiles peuvent être gagnées en accomplissant une des missions du mode disponible. Il y a au total 69 étoiles, soit 23 Opérations Spéciales.
Le nombre d'étoiles à obtenir varie en fonction de la difficulté : 1 pour la difficulté seconde classe, 2 pour la difficulté commando et 3 pour la difficulté vétéran. Mais parfois le nombre d'étoile varie selon d'autres paramètres, tels que la durée pour terminer la mission. Outre la difficulté et le nombre d'étoile, le choix entre ces trois modes va faire varier le nombre d'ennemis, de civils, de temps...
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