Penny Arcade Adventures est un jeu d’aventures mêlant gameplay en 3D, interstitiels et cinématiques en 2D. Le jeu consiste principalement en des puzzles de recherche et de découverte, rappelant les jeux d'aventure, dans lesquels le joueur doit collecter des objets et les restituer à un personnage pour faire avancer l'intrigue. Ils peuvent également collecter des pièces détachées de robot pour améliorer leurs armes. Les batailles consistent en un système de combat en temps réel similaire au système ATB (Active Time Battle) de Final Fantasy Games, avec des pressions de bouton contextuelles réduisant les dégâts ou servant à mener des attaques spéciales.