Machinarium is een avontuurlijke puzzelgame in steampunkstijl. Het doel van het spel is om verschillende puzzels op te lossen die met elkaar verbonden zijn. Een ander kenmerk van het spel is dat de speler slechts met één toegankelijk object tegelijk kan interageren. Ook zijn er in dit spel geen dialogen, dus het maakt niet uit in welke taal de speler spreekt. In plaats van tekst worden de gedachten van het personage weergegeven in de vorm van geanimeerde afbeeldingen.
Het spel heeft ook een drie niveaus tellend hint-systeem. Een keer per niveau kan de speler een hint krijgen die tijdens het spel in een speciale schat verandert. Machinarium maakt het ook mogelijk om het resultaat van het samenstellen van de puzzel te zien in de vorm van schetsen.
Aan het begin van het spel bekijkt de speler de stad Machinarium. De speler bestuurt een robot genaamd Joseph (vernoemd naar Josef Čapek, de broer van de Tsjechische schrijver Karel Čapek die het woord "robot" bedacht), die is weggegooid. Hij repareert zichzelf en gaat op reis door de stad. Gedurende het verhaal onthult hij een complot van de Broederschap van de Zwarte Mantel, die van plan is de stadstoren op te blazen. Maar dan wordt hij gevangen genomen en opgesloten.