Игрок управляет главным персонажем игры, Айзеком Кларком, от третьего лица. В отличие от многих шутеров, игрок не может делать обычные прыжки и как-либо слезать с обрывов или уступов; частично это возможно в местах с невесомостью.

На спине скафандра Айзека присутствуют индикаторы здоровья, заряда стазиса и, в помещениях без воздуха, количества оставшегося кислорода. Эти индикаторы являются частью ИКСа, внутреннего ИИ скафандра. Стазис позволяет на некоторое время замедлить движущиеся объекты, например, некроморфов или быстро вращающийся вентилятор. Кроме того, Айзек вооружен кинезис-модулем, позволяющим притягивать и бросать с силой от себя различные предметы.

В рукопашном бою игрок может использовать удары рукой и ногой: удар ногой является сильным топом по полу, рукой же игрок машет горизонтально по окружности впереди себя. В игре присутствует различное оружие, часть которого является инструментами для горнорабочих. Прицел и индикатор текущего количества патронов в оружии в обычном состоянии отсутствует, но они активируются после перехода в режим прицеливания, в котором камера «прыгает» за плечо персонажа.

В игре есть зоны с отсутствующей гравитацией и в разгерметизированных отсеках корабля (в вакууме как известно звуковые волны не распространяются и окружающие звуки в этих моментах отсутствуют, за исключением глухих ударов по скафандру). Также здесь практически нет заставок — все кат-сцены интерактивны. Помимо этого присутствуют верстаки и «магазины», в которых можно улучшать, закупать и продавать снаряжение. Также снаряжение есть в некоторых ящиках и оно выпадает из поверженных противников.

Музыкальное сопровождение игры может меняться в зависимости от обстоятельств, например, при виде противника или в опасных местах.

В игре присутствуют две мини-игры, которые не влияют на сюжет, но позволяют получить дополнительные предметы и патроны. В обоих мини-играх необходимо зарабатывать очки и в них есть несколько уровней сложности.

Первая мини-игра является тиром, в котором нужно стрелять по мишеням в виде людей. Мишени делятся на красные и синие: попадание в красные увеличивает количество очков, попадание в синие уменьшает. Патроны при стрельбе не тратятся. Вторая мини-игра называется зи-болл и находится в помещении в невесомости. Помещение имеет вид цилиндра, на боковой поверхности которого симметрично и параллельно оси цилиндра расположены четыре ряда небольших площадок по три в каждом. На одном основании цилиндра расположены четыре отверстия, из одного из них выбрасывается мяч. После его выброса часть площадок начинает подсвечивается, и игроку необходимо прыгать на них, за что даются очки, а площадки перестают подсвечиваться. После погашения всех подсвеченных площадок необходимо с помощью кинезис-модуля кинуть мяч обратно в одно из отверстий, после чего он снова будет выброшен и некоторые площадки снова будут подсвечиваться. На всю игру отводится определенное время, кроме того, во время игры отверстия могут на некоторое время закрываться крышкой.

Действие игры происходит в 2508 году. Сюжет игры повествует об Айзеке Кларке (Isaac Clarke), инженере, работающем в Concordance Extraction Corporation (C.E.C) — компании, которая управляет гигантскими бурильными станциями по всей галактике. Его компания получает сигнал бедствия с корабля «Ишимура» (USG Ishimura), класса «планетарный потрошитель» (Planet Cracker), станции по переработке «мёртвых планет» и извлечения ценной руды для компании. В предположении что на станции произошла поломка оборудования, к ней направляется ремонтный корабль под командованием лейтенанта Зака Хэммонда (Lt. Zach Hammond), кроме которого на борту присутствует охрана, сам Айзек и Кендра Дэниелс (Kendra Daniels), специалист по компьютерным системам. Прибыв на станцию, они понимают, что это не был обычный сигнал бедствия. Команда скоро обнаруживает, что станцию заразила неизвестная инопланетная форма жизни.

Айзек Кларк (имя получено слиянием имени Айзека Азимова и фамилии Артура Чарльза Кларка — дань уважения к известнейшим писателям-фантастам) — главный герой. Инженер, работает в C.E.C. Протагонист Dead Space. На Ишимуру отправился добровольно, так как там находилась его девушка — Николь.
Зак Хэммонд — руководитель спасательной группы, высланной на помощь «Ишимуре»
Кендра Дэниелс — правительственный агент, посланный вместе с отрядом на борт «Ишимуры» под видом технического эксперта.
Николь Бреннан — девушка Айзека Кларка. Также появляется на несколько секунд в мультсериале-приквеле «Dead Space: Downfall».
Доктор Терренс Кейн — начальник научного отдела «Ишимуры». Юнитолог. Направлен церковью для изучения Обелиска. Ближе к концу игры связывается с выжившими членами экипажа «Келлиона» и просит о помощи. Является одним из главных действующих лиц анимационного фильма «Dead Space: Downfall».
Доктор Кэллус Мерсер — врач и учёный на борту «Ишимуры». Является фанатичным юнитологом. События на корабле воспринимает как перерождение человечества, правда пока только на отдельно взятом корабле. Он проводил над людьми, как здоровыми, так и заражёнными, опыты с целью вывести идеальную породу некроморфов.
Капрал Чен — пилот USG «Келлион».
Капрал Джонстон — второй пилот USG «Келлион».