In Batman: Arkham City neemt Batman het opnieuw op tegen de gestoorde Joker, die samen met zijn handlangers de stad Gotham City terroriseert. Er is inmiddels een jaar verstreken sinds de gebeurtenissen uit het vorige deel, Batman: Arkham Asylum, en de gevangenen hebben nu vrij spel in de stad. Het is aan Batman om de straten van Arkham weer te ontdoen van al het gespuis. Terwijl hij waakt over de stad, raakt hij verwikkeld in een plan van schurk Two-Face om Catwoman te vermoorden.

Aangezien Arkham City zich in een stad afspeelt, en niet alleen in het Arkham Asylum-gesticht, is de spelwereld in dit tweede deel aanzienlijk groter. Spelers kunnen deze wereld vrij verkennen en komen hier van alles tegen. Van allerlei objecten om te verzamelen, tot zijmissies die niet direct te maken hebben met het hoofdverhaal. Zo kan Batman orde op zaken stellen wanneer een aantal criminelen een burger in elkaar proberen te slaan.

Batman heeft nog veel van zijn wapens en gadgets uit het eerste deel, die hem helpen om bepaalde gebieden te bereiken of uit het zicht te blijven van zijn vijanden. De superheld krijgt er in Arkham City een aantal extra bij om zich snel door te straten van Arkham te kunnen verplaatsen. Het is in het spel ook mogelijk om met Catwoman te spelen, die een stuk sneller beweegt dan Batman en in vloeiende gevechten van haar acrobratische vaardigheden kan profiteren.