Machinarium ist ein Steampunk-Abenteuerspiel-Puzzle. Ziel des Spiels ist es, mehrere miteinander verbundene Puzzles zu lösen. Ein besonderes Merkmal des Spiels ist auch, dass der Spielercharakter nur mit einem einzigen verfügbaren Objekt zur gleichen Zeit interagieren kann. Außerdem gibt es in diesem Spiel keine Dialoge, daher ist es unwichtig, in welcher Sprache der Spieler spricht. Statt Text werden die Gedanken des Charakters in Form von animierten Bildern dargestellt.
Das Spiel verfügt auch über ein dreistufiges Tippsystem. Einmal pro Level kann der Spieler einen Hinweis erhalten, der im Spielverlauf in einen besonderen Schatz umgewandelt wird. Machinarium ermöglicht es auch, das Ergebnis des Puzzlesammelns in Form von Skizzen zu sehen.
Zu Beginn des Spiels betrachtet der Zuschauer die Stadt Machinarium. Der Spielercharakter ist ein Roboter namens Joseph (benannt nach Joseph Čapek, dem Bruder des tschechischen Schriftstellers Karel Čapek, der das Wort "Robot" erfand), der zur Entsorgung weggeworfen wurde. Er repariert sich selbst und begibt sich auf eine Reise durch die Stadt. Im Laufe der Handlung deckt er eine Verschwörung des Bruderschaft des Schwarzen Umhangs auf, die plant, den Stadtturm in die Luft zu sprengen. Doch dann wird er gefangen genommen und eingesperrt.