Alice: Madness Returns jest przygodową grą akcji przedstawiona z perspektywy trzeciej osoby. Gracz kieruje tytułową bohaterką – Alicją Liddell – przez cały czas trwania gry.

Alicja może posługiwać się kilkoma rodzajami broni, które mogą być wykorzystywane na różne sposoby. Podstawową bronią jest śmiertelne ostrze (ang. vorpal sword) wykorzystywane w walkach na bliskich odległościach. Do pozostałych elementów uzbrojenia należy rozpylacz pieprzu (ang. pepper sprayer), służący do atakowania celów na duże odległości, działo czajniczkowe (ang. teapot cannon) wykorzystywane do ataków obszarowych, koń pasji (ang. hobby horse) umożliwiający potężne ataki i rozbijanie ścian, oraz bomba w zegarku (ang. clockwork bomb), która odwraca uwagę wrogów i służy za przeciwwagę przy rozwiązywaniu zagadek. Broń można ulepszać poprzez zbieranie rozrzuconych na mapach i zostawianych przez pokonanych wrogów zębów. Zdrowie Alicji jest pokazywane przy pomocy płatków róż. Jeżeli bohaterka zginie, gracz rozpoczyna grę od ostatniego punktu kontrolnego. Upadek z krawędzi w przepaść lub wpadnięcie do szkodliwej substancji nie powoduje śmierci Alicji, ale przenosi ją z powrotem na najbliższą platformę.

W trakcie eksplorowania poziomów gracz może znaleźć wiele ukrytych pomieszczeń. Podstawową metoda na ich odkrywanie jest użycie substancji zmniejszającej Alicji, która pozwala jej na przechodzenie przez bardzo małe pomieszczenia w kształcie dziurki od klucza oraz odkrywa niewidzialne platformy i powierzchnie. Po powrocie do normalnego wzrostu ukryte elementy powoli znikają pozwalając na zapamiętanie ich położenia. W celu odkrycia nowych ścieżek można nafaszerować pieprzem z rozpylacza pieprzu latające świńskie ryje, hałasujące, kiedy gracz znajdzie się w ich pobliżu. Pokoje Radula pozwalają graczowi na wzięciu udziału w wyzwaniu, po którego ukończeniu gracz otrzymuje puszkę z farbą. Zebranie czterech puszek skutkuje dodaniem jednej róży do paska życia Alicji. Wspomnienia można przywrócić zbierając specjalne naczynia, po czym jedna z postaci opowiada fragment fabuły.

Po ukończeniu gry, gracz może rozpocząć grę jeszcze raz, zatrzymując wszystkie zdobyte poprzednio bronie i ulepszenia. Z poziomu menu gracz może również przeglądać wszystkie zebrane wcześniej wspomnienia.