Właściwa zabawa rozpoczyna się w przyszłości. Walczącemu z maszynami ruchowi oporu udaje się przeprogramować jednego z Terminatorów. Ma on udać się do przeszłości w celu uratowania przyszłego przywódcy walczących z maszynami ludzi – Johna Connora. Akcja przez znaczną część zabawy obserwowana jest z perspektywy pierwszej osoby. Sterowana przez gracza postać Terminatora musi walczyć z maszynami wysyłanymi przez Skynet, okazjonalnie trzeba również wykonywać proste łamigłówki. W zależności od typu rozgrywanego etapu może to być konieczność odnalezienia ważnego klucza czy też przełączenia odpowiedniej dźwigni. Zagadki te nie są skomplikowane, zabawa koncentruje się bowiem na akcji. Same etapy nie są też zbyt długie.

W kilku miejscach gry tytułowy Terminator musi staczać pojedynki z innymi maszynami, w tym znanym z trzeciej części filmu cyborgiem o nazwie T-X. Przed rozpoczęciem właściwej walki kamera zmienia swoją pozycję (TPP), tak aby móc lepiej ukazać przebieg starcia. Gracz ma do wyboru kilka rodzajów uderzeń, może również rzucać przeciwnikiem oraz blokować jego ciosy.

Terminator 3: Rise of the Machines nie posiada żadnych trybów multiplayer, produkcja ta powstała bowiem z myślą o pojedynczym graczu. Oprawa wizualna prezentuje się stosunkowo ubogo. Wersje na Xboxa oraz PS2 prezentują pod tym względem zbliżony poziom. Na uwagę zasługuje natomiast obecność głosów postaci, które pojawiły się w kinowej produkcji, w tym samego Arnolda Schwarzeneggera.