L'aventure se déroule 10 ans après celle de premier opus, en 1967 pour être tout à fait exact. Le long du littoral atlantique, un monstre a enlevé des petites filles pour les ramener dans la ville sous-marine de Rapture. Les joueurs incarnent l’habitant le plus iconique de Rapture : le Big Daddy, alors qu’ils évoluent dans l’univers hostile et captivant de la cité déchue, poursuivant un adversaire invisible à la recherche de réponses pour leur propre survie.

Équipé d'un foret, le joueur sera une sorte de Big Daddy renégat, sans petite sœur à sa charge. Il est toujours question d'exploiter la puissance des plasmides alors que des améliorations seront disponibles pour les armes. Le joueur peut combattre les autres Big Daddies et en libérant leurs petites sœurs, il aura la possibilité de les « absorber » ou de les adopter. Dans ce second cas, les petites sœurs offrent la possibilité de récupérer de l'Adam sur les cadavres des ennemis.

Le mode multijoueurs de BioShock 2 permettra aux joueurs de revenir sur les origines de BioShock. Se déroulant pendant la chute de Rapture, les joueurs incarneront le rôle d’un cobaye pour des tests de Plasmide de Sinclair Solution, premier fournisseur de Plasmides et des fortifiants dans la ville sous-marine de Rapture, que les joueurs ont pu explorer dans le premier BioShock. Les joueurs devront utiliser toutes les armes mise à leur disposition pour survivre, l’expérience intense de BioShock étant affinée et revisitée dans une expérience multijoueurs que l’on ne peut vivre qu’à Rapture.