Warhammer 40.000: Space Marine является экшен-шутером с подачей игрового процесса от третьего лица. В игре присутствуют ролевые элементы, посредством которых геймер может улучшать вверенных ему бойцов, усиливая их способности. Что до последних, то под контролем пользователя будет трое космодесантников, среди которых штурмовик, опустошитель, тактик и сержант. Однако для выполнения миссий можно задействовать только одного юнита.
События игры развернутся на просторах Грайи – индустриальной планеты, являющейся оружейным оплотом для войск Империума.