Warhammer 40,000: Space Marine is een shooter die de actie toont over de schouder van hoofdpersoon Captain Titus. Titus is een ervaren Space Marine, elitesoldaten van het menselijke leger. Titus en zijn eenheid moeten het in deze shooter opnemen tegen een enorm leger van orks.

In Space Marine staat de speler voortdurend midden in de actie, er is geen tijd om dekking te nemen. De orks komen in groten getale en de speler slaat, schiet en hakt zich hier een weg doorheen. Titus kan snel schakelen tussen korteafstandswapens, zoals zijn zaag en hamer, en vele soorten vuurwapens voor de langere afstanden.

De game biedt ook bloederige executie-acties, waarmee hij zijn Fury-meter snel kan doen vollopen. Gebruik Fury met een vuurwapen om in een soort slow motionmodus terecht te komen, die je meer tijd geeft om te mikken. Met een slagwapen in de hand, kunnen spelers met behulp van Fury krachtig op de grond stampen. Zwakke vijanden die om je heen staan overleven dit niet, en de krachtige zijn tijdelijk verdoofd.

Naast de verhaalmodus, heeft Warhammer 40,000: Space Marine ook een multiplayermodus waarin twee teams, de Space Marines en de Chaos Space Marines, het tegen elkaar opnemen. In deze multiplayer, waarin tot zestien mensen tegelijk kunnen spelen, verdienen gamers ervaringspunten om nieuwe wapens en bepantsering mee vrij te kopen.