Bezpośrednia kontynuacja gorąco przyjętego Call of Duty 4: Modern Warfare. Podobnie jak ostatnim razem kampania dla pojedynczego gracza pokazywana jest z perspektywy kilku różnych postaci, w tym bohaterów znanych z poprzedniej części. Antagonista "jedynki", Imran Zakhaev, został obwołany w Rosji bohaterem narodowym, a ruchy ultranacjonalistyczne przybierają na sile.

Nowym liderem zostaje Vladimir Makarov, jeden z najbliższych współpracowników Zakhaev, który rozpoczyna serię ataków terrorystycznych na Zachodzie. W trakcie kampanii gracze trafiają m.in. do Rosji, Rio de Janeiro czy Afganistanu. Sequel Modern Warfare zawiera też specjalny tryb kooperacji, nazwany Special Ops, który zawiera samodzielne misje podobne do poziomu-epilogu z poprzednika, tj. Mile High Club.

Rozgrywki multiplayer są w dużej mierze rozwinięciem pomysłów z Call of Duty 4. Podobnie jak w Modern Warfare, i tutaj znajdziemy system doświadczenia, za pomocą którego gracze mogą zdobywać nowe perki i ekwipunek. Dostępne tryby zabawy to Free-For-All, Search & Destroy, Demolition, Sabotage, Domination, Team Deathmatch oraz Capture The Flag. Pecetowa wersja gry nie posiada serwerów dedykowanych.