Akcja Call of Duty 3 rozgrywa się tuż po lądowaniu wojsk alianckich w Normandii, gdy armie sojusznicze ruszają w kierunku stolicy Francji, wypierając tym samym hitlerowców z kolejnych terenów. Program oferuje aż cztery grywalne frakcje. Oprócz znanych z poprzednich odsłon cyklu Amerykanów i Brytyjczyków, użytkownicy mogą pokierować również Kanadyjczykami oraz Polakami. Wszystkie misje rozgrywają się w jednym ciągu bez długich przerw na doczytywanie nowych lokacji pomiędzy kolejnymi scenariuszami. Oznacza to, że nowe lokacje ładują się do pamięci w czasie rzeczywistym (tak jak np. w The Elder Scrolls IV: Oblivion).

W trzeciej odsłonie cyklu Call of Duty nie można narzekać na nudę. Twórcy zaimplementowali zrzuty spadochronowe, rajdy na pozycje wroga w towarzystwie komandosów z SAS, a także pełną obsługę pojazdów i łodzi, również w trybie multiplayer. Podczas batalii w sieci można podzielić się rolami: jeden z graczy kieruje motocyklem lub czołgiem, drugi natomiast zajmuje się obsługą broni. W grze pojawiły się też specjalne komendy (uaktywniane przy pomocy kombinacji klawiszy), które rozkazują naszemu bohaterowi szybkie znalezienie kryjówki, rozbrajanie pułapek i manewrowanie na polu bitwy w trakcie ostrzału artyleryjskiego.

Zwiększona została interakcja ze środowiskiem – śladami po wybuchu granatów są okazałe wyrwy w ziemi, gracz może ponadto niszczyć prowizoryczne zasłony, za którymi kryją się przeciwnicy. Autorzy dużą wagę przyłożyli również do realizmu. Wypluwane z karabinów pociski oddziałują różnie na konkretne materiały. Kule inaczej zachowują się po kontakcie z drewnem, a inaczej ze stalą. Dużą rolę odgrywają też warunki atmosferyczne, zwłaszcza wiatr, który wpływa na wyrzucane przez żołnierzy granaty dymne oraz elementy otoczenia, takie jak drzewa czy trawę. Ważnym dodatkiem jest też możliwość walki wręcz, która działa na podobnych zasadach jak w Condemned: Criminal Origins.

Wariant rozgrywki w sieci pozwala na zmagania nawet 24 graczom naraz – oprócz tradycyjnego połączenia przez Internet, zaimplementowano także opcję zabawy na podzielonym ekranie. Żołnierze biorący udział w bitwach zostali podzieleni na klasy (od medyka do snajpera). Ponadto w trakcie kolejnych potyczek zdobywają oni punkty doświadczenia. Te ostatnie przydadzą się do rozwoju bohatera i uzyskiwania nowych zdolności. W potyczkach sieciowych pojawił się ponadto nowy tryb walki, nazwany War (bitwy pomiędzy Aliantami i siłami państw Osi o strategiczne lokacje).