ماشیناریوم یک بازی ماجراجویی پازل به سبک استیم‌پانک است. هدف بازی حل چندین پازل است که به یکدیگر مرتبط می‌شوند. یکی از ویژگی‌های بازی این است که شخصیت بازیکن می‌تواند فقط با یک شیء که در دسترس دارد تعامل کند. همچنین، در این بازی هیچ دیالوگی وجود ندارد، بنابراین اهمیتی ندارد که بازیکن به چه زبانی صحبت می‌کند. به جای متن، افکار شخصیت در بازی به صورت تصاویر متحرک نمایش داده می‌شود.
همچنین این بازی دارای سیستم راهنمایی دو سطحی است. یک بار در هر سطح، بازیکن می‌تواند راهنمایی بگیرد که در طول بازی به گنج ویژه‌ای تبدیل می‌شود. ماشیناریوم همچنین اجازه می‌دهد تا نتیجه جمع‌آوری پازل به‌صورت طرح‌های اولیه نشان داده شود.
در ابتدای بازی، تماشاگر شهر ماشیناریوم را بررسی می‌کند. شخصیت بازیکن - رباتی به نام جوزف (به نام جوزف چاپک، برادر نویسنده چک کارل چاپک - که واژه "ربات" را ابداع کرده است) است، که او را دور ریخته‌اند. او خودش را بازسازی کرده و به سفر در شهر می‌رود. در طول داستان، او توطئه برادران شنل سیاه را افشا می‌کند که قصد دارند برج شهری را منفجر کنند. اما او در اینجا گرفتار شده و زندانی می‌شود.
این‌گونه است که سفر مهیجی در ماشیناریوم آغاز می‌شود، جایی که ربات کوچک باید آزاردهندگان خود را بیابد و به خوبی آنها را مجازات کند. در جریان این سفر، او موفق می‌شود محبوب ربوده‌شده‌اش را نجات دهد، بمبی را در برج اصلی شهر پیدا کرده و خنثی کند و با غیرمعمول‌ترین ساکنان ماشیناریوم آشنا شود. و چه کسی می‌داند که این ماجراجویی بزرگ برای ربات کوچک به کجا می‌رسد؟