Machinarium est un jeu d'aventure et de puzzle de style steampunk. L'objectif du jeu est de résoudre plusieurs énigmes qui sont liées entre elles. Une des particularités du jeu est que le personnage du joueur ne peut interagir qu'avec un seul objet accessible à la fois. De plus, il n'y a pas de dialogues dans le jeu, donc peu importe la langue que parle le joueur. Au lieu de texte, les pensées du personnage sont montrées sous forme d'images animées.
Le jeu a également un système d'indices à double niveau. Une fois par niveau, le joueur peut obtenir un indice qui se transforme en un trésor spécial au cours du jeu. Machinarium permet également de voir le résultat de la collecte d'énigmes sous forme de croquis.
Au début du jeu, le spectateur découvre la ville de Machinarium. Le personnage du joueur est un robot nommé Joseph (appelé ainsi en l'honneur de Joseph Čapek - le frère de l'écrivain tchèque Karel Čapek - qui a inventé le mot "robot"), qui a été jeté à la poubelle. Il se restaure et part pour un voyage à travers la ville. Au cours de l'histoire, il découvre un complot de la Fraternité de la Cape Noire, qui prévoit de faire exploser la tour de la ville. Mais il se fait attraper et emprisonner.