Игровой процесс вращается вокруг Переносного устройства создания порталов (англ. Aperture Science Handheld Portal Device) — вымышленного устройства, которое позволяет создавать два портала. Порталы ограничены плоскими поверхностями. В одно и то же время могут быть открыты только два портала, различающиеся по цвету — голубой и оранжевый. При открытии нового портала, ранее открытый портал данного цвета закрывается. Кроме этого, порталы одного цвета могут открываться поверх друг друга, в то время, как «противоположный» по цвету портал должен быть открыт в стороне. Порталы сохраняют кинетическую энергию проходящего сквозь себя тела, что часто используется при решении головоломок. В этом случае порталы открываются таким образом, чтобы перед входом в один портал игрок набирал кинетическую энергию, а после выхода из другого тратил её на преодоление препятствия.
Схема, показывающая закон сохранения импульса при проходе игрока через портал. Сквозь портальный проход нельзя открывать иные порталы, однако можно проходить и проносить предметы. Для последнего в устройство создания порталов встроен упрощённый вид манипулятора энергетического поля нулевого уровня из Half-Life 2, который позволяет поднимать предметы и перемещать их в пространстве в непосредственной близости от себя. Открытие порталов по умолчанию привязано к кнопкам мыши, а манипуляции с предметами осуществляются с помощью клавиатуры. Также игрок может передвигаться на корточках и подпрыгивать, но эти способности в большинстве случаев не используются — многие препятствия можно и необходимо преодолевать с помощью порталов.
Игра состоит из 19 тестовых комнат, переходы между которыми осуществляются с помощью лифта, а также ряда подсобных помещений с непосредственной подгрузкой по ходу прохождения (аналогично Half-Life 2). По мере прохождения игры задания становятся всё сложнее, заставляют комбинировать различные приёмы, такие как: перемещение грузового куба на кнопку, использование энергетического шара в качестве источника энергии, использование закона сохранения импульса и прочие. Препятствия включают в себя стены, на которых нельзя создать портал, кислоту, силовые поля (прохождение через эти поля уничтожает предметы, которые в данный момент несет игрок, а также закрывает порталы, оставляя лишь устройство для их создания). После прохождения девятнадцати тестовых комнат головоломки продолжаются в «закулисье» центра тестирования. Этот этап несколько сложнее, так как уровни содержат много декоративных элементов, что подчёркивают разработчики в игровых комментариях. В конце игры состоится единственная битва с боссом, которая требует полученных навыков обращения с порталами. Из противников в игре представлены только ракетная и пулеметная турель, причём они обе являются неподвижными.
