Machinarium on seikkailupuzzle-peli steampunk-tyylillä. Pelin tavoitteena on ratkaista useita keskenään liittyviä pulmia. Pelin erityispiirteenä on, että pelaajan hahmo voi vuorovaikuttaa kerrallaan vain yhden saatavilla olevan objektin kanssa. Myös tässä pelissä ei ole dialogeja, joten pelaajan käyttämällä kielellä ei ole merkitystä. Tekstin sijaan hahmon ajatukset esitetään animoituna kuvana.
Pelin mukana tulee myös kolmitasoinen vihjesysteemi. Kerran tasolla pelaaja voi saada vinkin, joka muuttuu erityiseksi aarteeksi pelin aikana. Machinariumissa on myös mahdollista nähdä palapelin kokoamisen tulokset luonnoksina.
Pelin alussa pelaaja tarkastelee Machinarium-kaupunkia. Pelaajan hahmo on robotti nimeltä Joseph (nimeä on lainattu Joseph Čapekilta - tšekkiläisen kirjailijan Karel Čapekin veljeltä, joka keksi sanan „robotti”), joka on heitetty romukoppaan. Hän korjaa itsensä ja lähtee matkalle kaupungin läpi. Tarinan puolivälissä hän paljastaa Mustan Viitan veljeskunnan salajuonen, joka aikoo räjäyttää kaupungintornin. Mutta sitten hänet vangitaan ja lukitaan.