Tomb Raider: Underworld to gra akcji ukazana z perspektywy trzeciej osoby, której główną bohaterką jest znana z gier i filmów archeolog Lara Croft. Fabuła gry toczy się głównie w południowym Meksyku po wydarzeniach znanych z gry Tomb Raider Legend. Zadaniem bohaterki jest odnalezienie i zbadanie świata podziemi z mitologii Majów zwanego Xibalba. Portale do tego miejsca otwierają się podczas pięciu ostatnich, nienazwanych dni kalendarza Majów. Rozgrywka polega na kierowaniu Larą Croft poznającą sekrety związane z Xibalba. Wymaga to biegania, skakania, odnajdywania i uruchamiania rozmaitych mechanizmów, rozwiązywania zagadek logicznych oraz walczenia z napotkanymi przeciwnikami. Postać może przy tym korzystać z rozmaitych rodzajów broni (przykładowo: pistolety, granaty oraz rozmaite elementy otoczenia), oraz wyposażenia (przykładowo lina z kotwiczką), a także rozbudowanego zestawu ruchów, wśród których wyróżnić można wspinanie się po kolumnach lub ścianach, czy możliwość uchwycenia się jakiejś krawędzi i prowadzenia ognia drugą ręką. W niektórych miejscach niezbędne jest wykorzystanie motocykla, który pozwala szybko pokonywać większe dystanse. Gra umożliwia w niektórych miejscach podejmowania decyzji, które wpływają na fabułę. W razie trudności dostępna jest pomoc oferowana przez postacie niezależne (Zip oraz Alister Fletcher). Świat gry jest dość rozległy i w dużej mierze interaktywny. Wszelkie zmiany pozostawione w nim przez postać pozostają na miejscu do końca rozgrywki (przykładowo ciała pokonanych wrogów nie znikają), chyba że pojawi się czynnik zdolny je zatrzeć, taki jak deszcz zmywający ślady stóp. Grafika programu jest trójwymiarowa i dopracowana. Ruchy głównej bohaterki opracowano z pomocą technologii motion capture.