В Arkham City есть открытый мир. Игра совмещает в себе стили stealth-action и beat’em up. Все гаджеты полученные в Arkham Asylum, кроме тросомета, доступны игроку с самого начала. Многие из них обзавелись улучшениями и новыми свойствами. Также появились совершенно новые гаджеты, например дымовая граната, служащая для дезориентации врагов. Игра включает в себе головоломки, активное использование «Режима детектива», в котором подсвечиваются скелеты врагов, появляются подсказки и служащим для выполнения различных экспертиз, таких как отслеживание полёта пули снайпера. У игрока есть доступ к уголовной базе данных, которая отслеживает основных злодеев по городу. Rocksteady Studios прокомментировала, что режим детектива будет изменён для лучшего восприятия реальной игры, так как большинство игроков использовали этот режим всю игру. Загадки Загадочника будут в игре, но потребуется больше усилий чтобы их найти.

Кроме основных, присутствуют ещё и второстепенные задания с участием ключевых персонажей. Игрок может двигаться бесшумно, избегая встреч с заключёнными и прочими врагами. Также можно использовать приспособления, чтобы убрать врагов без особого шума. Если же Бэтмен вступает в бой, то начинает действовать улучшенная боевая система из предыдущей игры, позволяющая уклоняться сразу от нескольких врагов, быстро реагировать на удары от предметов и использовать все гаджеты в бою. Свободное перемещение по городу немного затруднительно, так как его полностью оккупировали различные банды под руководством Джокера, Пингвина и Двуликого.

Женщина-кошка является игровым персонажем, которым можно поиграть в определённый сюжетный момент игры. Её боевая система ориентирована на акробатику, использование когтей, хлыста и бола. У неё есть также аналог «Режима детектива» — «Режим воровки», для поиска элементов, которые можно украсть.

Основная сюжетная линия длится около 25 часов реального времени. А общая продолжительность игры составляет 40 часов реального времени, так как 15 часов уйдет на побочные миссии. Также в игре появится около 400 новых достижений.

За Бэтмена:
Сюжет Arkham City начинается через полтора года после событий Arkham Asylum. Квинси Шарп, бывший директор психиатрической больницы Аркхэм, заработал огромную известность за поимку Джокера и, пользуясь этим, стал мэром Готэма. Так как Аркхэм и тюрьма «Блэкгейт» были не в состоянии содержать заключённых, новый мэр первым своим делом выкупил огромную территорию трущоб Готэма. Он создал там тюрьму под названием «Arkham City», а по периметру этой территории поставил хорошо вооруженный отряд наёмников «ТАЙГЕР», которым был отдан приказ стрелять на поражение при попытке побега. Заключенные, прибывшие в «Аркхэм-Сити» предоставлены сами себе, пока не попытаются сбежать. Для осуществления надзора за заключенными Шарп нанял на пост надзирателя психиатра Хьюго Стрэйнджа. Многие были недовольны таким развитием событий, в том числе и Брюс Уэйн. Бэтмен постоянно присматривает за новой тюрьмой, опасаясь, что всё может выйти из-под контроля. Планы строительства Аркхэм-Сити есть в потайной комнате, соединенной с кабинетом Шарпа в психбольнице Аркхэм.

Во время одного из протестов Уэйна похищают наёмники «ТАЙГЕР», которые приводят его прямиком к Стрэйнджу, который знает, что Брюс — это Бэтмен, и говорит о том, что теперь он готов запустить нечто под названием «Протокол 10». Брюса ведут мимо взбешённых заключённых. Во время одного такого перехода его оглушают люди Пингвина, у которого личные счёты с Брюсом. Уэйну удаётся освободиться от наручников и убежать. Он связывается с Альфредом, который высылает ему всё оборудование. Перехватив радиопередачу о том, что Женщина-кошка захвачена Двуликим, Бэтмен вычисляет его координаты и отправляется в резиденцию Дента — бывшее здание суда.

Прибыв на место, Бэтмен видит, как Двуликий собирается утопить Женщину-кошку в чане с кислотой. Одолев его людей, Бэтмен успевает спасти её и обезвредить Харви. Тёмный рыцарь пытается узнать у неё что-либо по поводу «Протокола 10», о котором говорил Стрэйндж. Их разговор прерывает снайперская пуля, пущенная Джокером, которая едва не убивает Женщину-кошку. Бэтмен сканирует траекторию полёта пули и направляется в колокольню церкви, откуда и был произведён выстрел. Там к нему по телевизору обращается Джокер. Однако колокольня оказывается заминирована, и Бэтмен успевает спастись всего за несколько секунд до взрыва. Он направляется в логово Джокера, сталелитейный завод. Там его настойчиво пытаются остановить наёмники Джокера и сама Харли Квинн. Бэтмен всё же находит Джокера, который сидит уже при смерти в инвалидном кресле. Внезапно Тёмного рыцаря оглушают. Джокер, медленно умирающий из-за передозировки «Титаном», заражает Бэтмена, перелив ему свою кровь, чтобы тот нашёл противоядие для них обоих. Однако это ещё не вся беда. Клоун отправил свою заражённую кровь во все больницы Готэма, так что всё население в опасности.

Бэтмену удается найти противоядие с помощью Мистера Фриза. Для этого он проникает в лигу убийц Ра’с аль Гула, проходит их испытания и получает образец крови. Он приносит его Фризу, однако тот не намерен отдавать Бэтмену лекарство, поскольку Фриз думает, что после того, как Бэтмен получит лекарство, он не будет помогать ему найти его жену, Нору похищенную Джокером. Между Мистером Фризом и Бэтменом завязывается бой. Проиграв, Фриз всё-таки собирается отдать лекарство, но его уже похитила Харли Квинн. Бэтмен собирается вернуть лекарство, и для этого проникает на сталелитейный завод, и вступает в схватку с Джокером и его прихвостнями. Бэтмен одерживает победу, но оказывается прижат обломками рухнувшего потолка. Джокер готовится добить его, но его останавливает Талия, и предлагает Джокеру источник бессмертия. Бэтмен пытается этому помешать, но из-за удара Джокера теряет сознание. Джокер не знает, что Талия активировала маячок, чтобы их нашёл Бэтмен. Хьюго Стрэйндж, узнав где находится Уэйн, отправляет за ним своих людей, но Женщина-кошка их опережает. Она помогает Бэтмену подняться, и говорит, что если он хочет остановить Стрэйнджа, ему следует поторопиться.

Чтобы остановить «Протокол 10» Бэтмен проникает на базу Стрэйнджа. Там Уэйн узнает, что на самом деле за строительством Аркхэм-Сити стоит Ра’с аль Гул, который намеревался взорвать Аркхэм-Сити вместе со всеми его обитателями. Ра’с аль Гул убивает Стрэйнджа, так как он ничем не отличается от других злодеев. Перед смертью, Хьюго активирует «Протокол 11» (бомбу, которая была на базе). Бэтмен и Ра’с аль Гул успевают выпрыгнуть, за секунду до взрыва. Бэтмен ловит в полете Ра’с аль Гула, чтобы он не разбился, но тот протыкает себя своим же мечом, пытаясь достать и Бэтмена, так что тому приходится отцепиться, и разбивается насмерть. Неожиданно на экране появляется сообщение Джокера, в котором он говорит, что похитил Талию’аль Гул и убьет её, если Бэтмен не явится на представление, устроенное клоуном, под названием «Бессмертный Джокер».

Бэтмен прибывает в театр, где Талия неожиданно убивает Джокера мечом. Она отдает Бэтмену противоядие. Бэтмен вспоминает всё, что произошло с ним по прибытии в Аркхэм-Сити. Он понимает, что его опять обманули. Кто-то стреляет в Талию сзади, убийцей оказывается Джокер. Это Талия украла лекарство, а не Харли Квинн, а значит, что Джокер по прежнему болен. Все это время клоуну помогал Глиноликий. Он притворялся Джокером. Бэтмен сражается с Глиноликим, и побеждает его с помощью криогенных гранат, которые ему дал Фриз. Бэтмен перекрывает путь к источнику бессмертия телом Глиноликого, после чего выпивает половину противоядия, оставив другую половину Джокеру. Джокер атакует Бэтмена сзади, и случайно разбивает пробирку с лекарством. Он в ужасе пытается выпить хоть что-то, но не получается. Джокер думает, что Бэтмен доволен тем, что злодей умрет. Но Тёмный Рыцарь говорит, что если бы у него был шанс спасти его, он бы сделал это не колеблясь. Джокер говорит что это действительно смешно, и умирает.

Бэтмен выносит тело Джокера из театра, и остолбеневшие бандиты просто пропускают его. Бэтмен выходит из Аркхэм-Сити, и встречает полицейских во главе с Джеймсом Гордоном. Бэтмен кладёт тело Джокера на машину. Гордон спрашивает Бэтмена о том, что произошло. Но герой молча уходит, игра заканчивается и начинаются титры.

В середине титров раздаётся голос из коммуникатора, уведомляющий Бэтмена о пропущенном звонке, имевшем место три часа назад, а затем слышен голос Джокера, который поёт песню «Only You (And You Alone)» группы The Platters и злобно хихикает в конце неё.

За Женщину-Кошку
Помимо игры за Бэтмена, в Arkham City нам предстоит играть за антигероиню Женщину-Кошку. Главной целью при игре за Кошку является совершение краж на территории Arkham City. Для совершения первой из них необходимо взломать сейф Двуликого, предварительно разобравшись с его людьми. Селина попадается с поличным в руки Дента, которой хочет её публично казнить, утопив в чане с кислотой, но, к счастью девушки, её спасает Бэтмен. Для следующей кражи воровке необходимо проникнуть в хранилище Хьюго Стрэйнджа, для чего не обойтись без суперзлодейки Ядовитого Плюща, с которой ей придётся сразиться. Памела первоначально отказывает в просьбе Селине, но в итоге соглашается ей помочь, в обмен на то, что воровка украдёт из хранилища необходимые Плющу образцы спор. Кошка успешно проникает внутрь хранилища, и собирается бежать с награбленным из Аркхэм-Сити, но отказывается от этой идеи, решая, что должна вернуть долг Бэтмену и спасти его от людей Стрэйнджа. Однако для этого ей приходится бросить свою добычу, вернуть которую она лишается возможности при взрыве хранилища.

Двуликий, злившийся на Кошку за ограбление, решает её снова поймать, для чего крадёт все её драгоценности, минирует её укрытие, а сам баррикадируется в музее Пингвина. Селина, конечно же, планирует снова украсть драгоценности и идет на матч-реванш с Дентом и его людьми. После своего поражения Харви сообщает Селине, что из украденного у неё, он оставил себе только половину, а вторую половину раздал своим людям, но Селина в итоге находит всю свою похищенную добычу.

Существует альтернативный конец игры, в котором Селина не приходит на помощь к Бэтмену, сбегая с награбленным из Аркхэм-Сити. Бэтмена находят и убивают люди Стрэйнджа, Джокер исцеляется, став бессмертным, и весь Готэм погружается в хаос. (На середине титров время «отматывается» назад, и игроку предоставляется возможность сделать правильный выбор, то есть прийти на помощь Бэтмену).

Бэтмен
Настоящее имя: Брюс Уэйн
Главный герой игры и основной игровой персонаж, супергерой, защитник города Готэма. Борется с преступностью, лишившей его родителей. Владеет семейной компанией, максимально развит умственно и физически, мастер многих боевых искусств, дедукции, компьютеров, маскировки и скрытного перемещения. Имеет множество приспособлений для борьбы с преступностью, в том числе режим «Зрение детектива»; по ходу игры выучивает новые навыки и проводит улучшения костюма. Прибыл в Аркхэм-Сити для выражения протестов, но был захвачен наёмниками Стрэйнджа. Затем его отравил Джокер, и Тёмному Рыцарю пришлось сражаться и сотрудничать со многими злодеями, чтобы спасти себя и Готэм.

Женщина-кошка
Настоящее имя: Селина Кайл
Антигероиня, так как является воровкой, но помогает Бэтмену. Играбельный персонаж, на которого отведено 4 часа от общего времени прохождения игры. Владеет когтями и плеткой, использует режим «Зрение вора». Имеет собственную технику ведения боя. В отличие от Бэтмена умирает от нескольких огнестрельных ран, но может забираться на самые высокие здания с помощью своих когтей. Приспособления: кнут, шипы и бола.

Джокер
Настоящее имя: неизвестно
Злодей, главный враг Бэтмена и один из главных антагонистов игры. После событий «Batman: Arkham Asylum», от передозировки «Титаном» болен, что постепенно разрушает его организм (это заметно сказывается на внешнем виде клоуна). В игре завладел частью района Аркхэм-Сити, где диктует свои порядки, но по состоянию здоровья в основном всем заправляет его помощница, Харли Квинн. Некоторое время помогал Бэтмену в поисках лекарства, но затем обманул его, и попытался убить. Был в сговоре с Ра`с Аль Гулом и Хьюго Стрейнджем. Тем не менее, Джокер не сделал ни единой попытки помочь им, когда Бэтмен настиг их. Захватил в плен дочь Ра’с аль Гула, Талию, и попытался получить у Бэтмена лекарство, предварительно убив героя с помощью Глиноликого. Но Бэтмену удается победить его. Джокер случайно разбивает колбу, и окончательно умирает.

Двуликий
Настоящее имя: Харви Дент
Был окружным прокурором и союзником Бэтмена до тех пор, пока во время одного из судебных заседаний преступник не изувечил его, облив лицо кислотой. Последствием травмы стало раздвоение личности и ненависть к Бэтмену. Так же, как и Джокер, владеет частью Аркхэм-Сити, активно вербует в свою банду отморозков из Аркхэма и Блэкгейт. Несмотря на слова разработчиков о том что Двуликий будет играть большую роль в сюжете, Дент имеет в игре очень маленькую роль, и появляется всего два раза, причём один раз — в кампании Женщины-кошки, где его можно победить.

Пингвин
Настоящее имя: Освальд Честерфилд Кобблпот
Выходец из богатой семьи, ещё один из главных воротил Аркхэм-Сити, базируется в городском музее и на прилегающей к нему территории. В отличие от оригинальной версии, в которой высшее общество отвергло Освальда из-за его внешности, в Arkham City он объясняет причину своего нынешнего положения следствием разорения его семьи компанией Уэйнов. Использовал в своих целях Соломона Гранди и оружие Мистера Фриза. После того, как Пингвин был побеждён, его территория была захвачена Двуликим и его бандой, а остатки людей Пингвина сами присоединились к Джокеру и Двуликому.

Харли Квинн
Настоящее имя: Харлин Квинзель
Бывший психиатр Клиники Аркхэм, лечила Джокера, но влюбилась в него и помогла сбежать, а в дальнейшем стала его правой рукой. По сюжету комикса-приквела Arkham City, помогает Джокеру сбежать из-под охраны. В игре появляется чаще клоуна, выполняя все его поручения. Превосходная гимнастка и мастер в обращении со многими видами оружия, но в основном посылает сражаться за себя подручных. В комнате на заводе можно найти старый костюм Харли и тест на беременность с положительными показаниями; это означает, что Харли, возможно, беременна от Джокера. Стала главной злодейкой в загружаемом дополнение «Harley Quinn’s Revenge», в котором психопатка решит отомстить за смерть своего любимого.

Catwoman — Вышла 13 октября 2011 года, включает сюжетную линию за воровку Женщину-кошку, которая имеет совершено другие боевые движения и оружие, игровой процесс также имеет отличия. Кроме того дополнение включает альтернативные костюмы для героини из мультсериала «Batman: The Animated Series» и из комикса Batman: The Long Halloween.

Nightwing Bundle — дополнение вышло 1 ноября 2011. Добавляет Найтвинга в качестве играбельного персонажа в режиме испытания. Также включает один альтернативный костюм для персонажа — из мультсериала «Batman: The Animated Series».

Robin Bundle — дополнение вышло 22 ноября 2011 года. Добавляет Робина в качестве играбельного персонажа в режиме испытания. У него свой стиль боя и гаджеты. Включает два альтернативный костюма героя — из «Batman: The Animated Series» и Красный Робин из комиксов.

Arkham City Skins Pack — вышло 21 декабря 2011 года, добавляет 7 бонусных костюмов Бэтмена.

The Challenge Map Pack — вышло 20 декабря 2011 года, добавляет в игру 3 карты для Challenge Mode. Среди них Пещера Бэтмэна, Iceberg Lounge и Карнавал Джокера. В эти карты можно поиграть за каждого игрового персонажа.

Harley Quinn's Revenge — вышло 29 мая 2012 и продолжило сюжет основной игры — злодейка Харли Квинн, помощница и возлюбленная Джокера, решает отомстить за смерть любимого.

Game of the year edition — вышло почти сразу же после «Harley Quinn’s Revenge», включает в себя все уже вышедшие дополнения.