"बायोशॉक" भूमिका-खेल के लिये विशिष्ट रूप से निर्मित तत्वों तथा गोपनीय तत्वों के साथ एक प्रथम-व्यक्ति शूटर खेल है और यह "सिस्टम शॉक 2" के समान है। खिलाड़ी जैक की भूमिका निभाता है, जिसका लक्ष्य अपने उद्देश्यों की पूर्ति के लिये हथियारों तथा प्लास्मिड (आनुवांशिक परिवर्तन) का प्रयोग करके लड़ते हुए रैप्चर तक पहुंचने वाले मार्ग पर आगे बढ़ते जाना है। कुछ अवसरों पर, सुरक्षा कैमरों और स्वचालित बुर्जों द्वारा पहचाने जाने से बचने के लिये खिलाड़ी गोपनीय तरकीबों का प्रयोग भी कर सकता है। रैप्चर की खोज करते हुए, खिलाड़ी धन एकत्र करता है, जिसका प्रयोग विभिन्न वेंडिंग मशीनों पर हथियार, स्वास्थ्य और अतिरिक्त उपकरण पाने में किया जा सकता है। खिलाड़ी को कुछ खुले पुर्ज़े भी मिलते हैं, जिनका प्रयोग "यू-इन्वेंट" मशीनों पर नये हथियारों या प्रयोज्य वस्तुओं के निर्माण के लिये किया जा सकता है। कैमरे, बुर्ज, तिजोरियां, कुछ ताले और वेंडिंग मशीनें आदि सभी खिलाड़ी के लाभ के लिये हैक की जा सकतीं हैं, जिनसे खिलाड़ी के शत्रुओं को सक्रिय करने, उनकी वस्तुओं की जानकारी खिलाड़ी को देने अथवा खिलाड़ी को छूट के साथ वस्तुएं खरीदने जैसे लाभ प्राप्त होते हैं। 
हैकिंग के लिये खिलाड़ी को सीमित समय में "पाइप मेनिया" जैसा एक लघु-खेल पूर्ण करना पड़ता है। खेल की शुरुआत में खिलाड़ी को एक "खोजी कैमरा" दिया जाता है, जिसकी सहायता से जैक अपने शत्रुओं की तस्वीरें खींच कर उनका विश्लेषण कर सकता है, जिसमें बेहतर गुणवत्ता वाली तस्वीरें अधिक लाभदायक विश्लेषण प्रदान करतीं हैं। किसी शत्रु का पर्याप्त विश्लेषण कर लेने पर, भावी लड़ाइयों में उस प्रकार के शत्रु से सामना होने पर खिलाड़ी को अधिक क्षति, जीन टॉनिक और अन्य बोनस दिये जाते हैं। शीशे की दीवारों से बने "वीटा-चेम्बर" भी पूरे खेल के दौरान देखे जा सकते हैं, जिनका प्रयोग खिलाड़ी प्रत्यक्ष रूप से नहीं करता। इसके बजाय, यदि जैक की मौत हो जाए, तो उसके शरीर को निकटतम चेम्बर में पुनर्निर्मित किया जाता है, जिसके बाद उसकी सारी वस्तुएं कायम रहती हैं, लेकिन उसके पूर्ण स्वास्थ्य का केवल एक भाग ही शेष बचता है। इस खेल के एक भाग में, खिलाड़ी के पास इन वीटा-चेम्बरों के प्रयोग को निष्क्रिय करने का विकल्प होता है, ताकि यदि जैक की मौत हो जाती है, तो खिलाड़ी को किसी संचित खेल से पुनः प्रारंभ करना होगा।

खिलाड़ी अनेक प्लास्मिड और जीन टॉनिक एकत्रित व आवंटित कर सकता है, जो जैक को विशेष आक्रमणों को उजागर करने की क्षमता देते हैं अथवा सुधारित स्वास्थ्य या हैकिंग कौशलों जैसे कुछ अप्रत्यक्ष लाभ प्रदान करते हैं। "सक्रिय" प्लास्मिड-वे जिन्हें खिलाड़ी द्वारा सर्वाधिक आक्रामक प्लास्मिडों के रूप में प्रारंभ किया गया हो- के लिये ईव सीरम की कुछ मात्रा को जादुई अंकों के समान प्रयोग करने की आवश्यकता होती है; ईव को सिरींजों के माध्यम से पुनः भरा जा सकता है। ये प्लास्मिड खिलाड़ी की दिखावट को भी बदल देते हैं, जो कि "स्वयं की मानवता का त्याग करने" को प्रतिबिंबित करता है। "टॉनिक" अप्रत्यक्ष प्लास्मिड होते हैं और उनका लाभ प्राप्त करने के लिये किसी ईव की आवश्यकता नहीं होती; खिलाड़ी किसी भी समय प्लास्मिडों व टॉनिकों की एक सीमित मात्रा से ही सज्जित हो सकता है। यह खेल प्लास्मिडों, हथियारों और वातावरण के प्रयोग के एक रचनात्मक संयोजन के प्रयोग को प्रोत्साहित करता है।

पूरी पटकथा में प्लास्मिड शहर में कुछ विशिष्ट बिंदुओं पर एकत्रित किये जा सकते हैं, लेकिन खिलाड़ी द्वारा अधिकांशतः उन्हें लिटिल सिस्टर्स से प्राप्त ऐडम म्युटाजेन का प्रयोग करके "गैदरर्स गार्डन्स" में खरीदा जाता है। ऐडम म्युटाजेन को एकत्रित करने के लिये खिलाड़ी को पहले "बिग डैडी" -जैविक रूप से उन्नत मनुष्य, जिन्हें एक हथियारबन्द डाइविंग सूट के साथ जोड़ दिया गया है- को हराना अनिवार्य होता है, जो प्रत्येक लिटिल सिस्टर के साथ रहते हैं व उसकी रक्षा करते हैं। इसके बाद खिलाड़ी के पास एक नैतिक विकल्प होता है: या तो वह बहुत सारा ऐडम पाने के लिये लिटिल सिस्टर की हत्या कर दे, या फिर लिटिल सिस्टर की जान बचा ले और केवल एक थोड़ी मात्रा प्राप्त करे, हालांकि प्रत्येक तीन बहनों को बचाने पर पुरस्कार के रूप में खिलाड़ी को ऐडम की एक बड़ी मात्रा दी जाती है। हालांकि दोनों विकल्पों के अपने लाभ हैं, लेकिन नैतिक मूल्यों के बीच टकराव का यह तत्व पटकथा पर और अन्य बातों के साथ-साथ, पूरे खेल की कठिनता पर प्रभाव डालता है।

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