Kolejna odsłona cyklu odchodzi zarówno od klimatów pierwszych Call of Duty jak i nowszych Modern Warfare, przenosząc graczy do ery Zimnej Wojny. Cała kampania dla pojedynczego gracza przedstawiona została w formie przesłuchania Alexa Masona, świetnie wyszkolonego komandosa na usługach CIA, który jest przetrzymywany przez bliżej niezidentyfikowane osoby. W kolejnych etapach powraca się do misji, w których Mason brał udział, sterując nim samym lub innymi osobami z jego oddziału. Godne odnotowania jest to, że istotną rolę w nowej grze odgrywa Wiktor Reznow, jeden z głównych bohaterów Call of Duty: World at War. W Black Ops, wzorem poprzednich części serii, podróżuje się po całym świecie, odwiedzając między innymi Wietnam, czy góry Uralu.

Black Ops to przede wszystkim kampania jednoosobowa składająca się z niezwykle widowiskowych misji, które stawiają graczy w wyjątkowo nietypowych sytuacjach. W jednym z zadań pilotujemy więc helikopter Hind i eliminujemy posterunki wroga w dżungli, a w innym znajdujemy się na pokładzie samolotu zwiadowczego Lockheed SR-71, z którego wspieramy naziemne jednostki (informując je o pozycjach wroga). Misje opierają się na skryptach, więc są liniowe, chociaż z drugiej strony gwarantują niesamowite przeżycia. W większości z nich skupiamy się tylko na strzelaniu, chociaż niektóre pozwalają także zakradać się i walczyć z ukrycia.

Sama rozgrywka nie uległa zasadniczym zmianom, chociaż w grze pojawiło się kilka nowych broni, pasujących bardziej do epoki i realiów Zimnej Wojny. Gracze mogą postrzelać z kuszy z celownikiem optycznym, do której przygotowano kilka typów amunicji (w tym ładunki wybuchowe). Wśród innych nowych broni pojawiają się też chociażby potężne pociski Dragon’s Breath („oddech smoka”) do strzelb. Przeciwników jak zwykle spotykamy na drodze sporo – tym razem są oni nieco bardziej inteligentni. Warto dodać, że twórcy zastosowali system trafień w różne punkty ciała (podobne rozwiązanie zostało użyte w World at War).

Ważnym elementem kolejnej odsłony popularnej strzelanki jest oczywiście tryb multiplayer, w którym pojawiają się ponownie pojazdy (znane z World at War). Podstawą zabawy jest system perków (umiejętności) oraz zróżnicowanego uzbrojenia, który pozwala stworzyć własną klasę i unikalnego żołnierza. W grze powracają również killstreaki (zabójstwa pod rząd), chociaż działają one teraz na innych zasadach (ich liczba jest przenoszona po śmierci postaci). Warto dodać, że w pecetowej wersji produkcji przywrócono wsparcie dla serwerów dedykowanych (zabrakło go w Modern Warfare 2).

Oprócz kampanii singleplayer oraz potyczek w Sieci w omawianej grze nie zabrakło także trybu Zombie, doskonale znanego posiadaczom Call of Duty: World at War. Walki z nieumarłymi toczone są zarówno na starych, jak i nowych mapkach, między innymi wewnątrz Pentagonu.

Silnik graficzny gry to mocno zmodyfikowana technologia z Call of Duty: World at War. Autorzy starali się wprowadzić lepszą fizykę i ograniczoną destrukcję otoczenia oraz stworzyć niezwykle szczegółowe lokacje.