Akcja Call of Duty: Modern Warfare 3 toczy się krótko po wydarzeniach ukazanych w wydanej dwa lata wcześniej drugiej części gry. Scenarzyści zadbali, by fabuła kampanii głównej cały czas trzymała w napięciu. W 16 misjach gracze mają okazję odwiedzić m.in. Dharmasalę (Indie), Nowy Jork (USA), Londyn (Wielka Brytania), Mogadiszu (Somalia), Hamburg (Niemcy), Paryż (Francja), Pragę (Czechy), Berlin (Niemcy), Waszyngton (USA) i Dubaj (Zjednoczone Emiraty Arabskie). W grze nie brakuje także specyficznych lokacji, takich jak: moskiewski Kreml, zamek w czeskich górach czy pokład samolotu transportującego prezydenta Rosji.

Twórcy Modern Warfare 3 postarali się, by wydarzenia można było obserwować z różnych perspektyw. Co za tym idzie gracze mają okazję wcielić się m.in. w czołgistę, strzelca samolotu AC-130, żołnierza oddziału SAS i agenta Służby Ochrony Federacji Rosyjskiej (FOS). W grze pojawia się wiele postaci znanych z wcześniejszych odsłon cyklu, ale także zupełnie nowi bohaterowie, w tym chociażby członkowie jednostki Delta Force o pseudonimach „Frost” i „Sandman”.

Rozgrywka w Modern Warfare 3 bazuje na sprawdzonych rozwiązaniach znanych z wcześniejszych odsłon serii. Deweloperzy urozmaicili zabawę poprzez zwiększenie dostępnych liczby broni i pojazdów. Niewielkie zmiany wprowadzono również w rozgrywce sieciowej. Oprócz typowych potyczek wieloosobowych przygotowano tryb Spec Ops nastawiony głównie na kooperację (chociaż można w niego grać również samemu). W jego skład wchodzą tak zwane Mission, czyli 16 dodatkowych misji o rosnącym poziomie trudności oraz Survival polegający na odpieraniu kolejnych fal przeciwników.

Oprawa wizualna gry w niewielkim stopniu różni się od tego, co ekipa studia Infinity Ward zademonstrowała w Modern Warfare i Modern Warfare 2. Trzecia część cyklu korzysta ze sprawdzonego silnika graficznego IW 4.0.