Machinarium är ett äventyrspusselspel i steampunkstil. Spelets mål är att lösa flera pussel som är kopplade till varandra. En särskiljande egenskap för spelet är att spelarens karaktär kan interagera med endast ett objekt i sin närhet åt gången. Dessutom har spelet inga dialoger, så vilket språk spelaren talar spelar ingen roll. Istället för text visas karaktärens tankar i form av animerade bilder.
Spelet har också ett tre nivåers tipsystem. En gång per nivå kan spelaren få ett tips, vilket förvandlas till en speciell skatt under spelets gång. Machinarium gör det också möjligt att se resultatet av pusslet i form av skisser.
I början av spelet får spelaren en översikt över staden Machinarium. Spelarens karaktär är en robot vid namn Joseph (uppkallad efter Joseph Čapek - brodern till den tjeckiska författaren Karel Čapek - som myntade ordet "robot"), som har kastats bort. Han återställer sig själv och ger sig i väg på en resa genom staden. Under berättelsens gång avslöjar han en konspiration från Brödraskapet av den Svarta Kåpan, som planerar att spränga stadens torn. Men då blir han fångad och inlåst.