Sebagaimana permainan ini merupakan permainan irama, pemain dibenarkan untuk memilih daripada pelbagai lagu Vocaloid, lagu-lagu asal dinyanyikan oleh Vocaloid, termasuk lagu-lagu yang dinyanyikan oleh Hatsune Miku, Kagamine Rin dan Len. Pemain juga boleh memilih watak yang mereka ingini untuk bermain permainan ini. Watak-watak ini turut dikenali sebagai modul. Modul-modul yang wujud tidak semestinya terdiri daripada watak yang berbeza, malah mereka juga terdiri daripada kostum yang berbeza dalam satu watak yang sama. Sebagai satu contoh, apabila pemain memilih Kagamine Rin sebagai watak pertama dan Hatsune Miku sebagai watak kedua, nyanyian solo hanya wujud Kagamine Rin, tetapi untuk nyanyian duet kedua-dua watak yang dipilih wujud dalam video. Setiap satu lagu mempunyai tahap kesukaran yang berbeza, yakni Easy (bermaksud senang), Normal, Hard (bermaksud payah) and Extreme. Pada permulaannya kedua-dua tahap Easy dan Normal bagi satu lagu adalah tidak dikunci, tetapi selepas menyelesaikan tahap Normal, tahap Hard akan ternyahkunci dan begitu juga untuk tahap seterusnya.Pemain memajukan permainan dengan menyelesaikan lagu dan membuka lebih banyak lagu baru sehingga akhirnya mereka membuka kunci kesemua lagu.[1][2]

Satu tangkapan skrin dalam permainan Project Diva F 2nd tahap Hard, dengan Miku sebagai modul yang dipilih dalam Kostum Maid itu menyanyi lagu Kata-kata Cinta (Ai Kotoba).
Perhatikan simbol Segi Tiga dan Segi Empat terapung serta penilaian "Cool" sewaktu hentaman.

Permainan ini adalah sama dengan permainan irama lain-lain di mana pemain perlu menekan beberapa butang mengikut urutan pada skrin. Permainan ini mengutamakan penggunaan 4 simbol utama, iaitu pangkah, bulatan, segi empat dan segi tiga, yang juga merupakan butang muka untuk PlayStation Portable. Pelbagai butang simbol-simbol kelabu yang terapung akan muncul pada skrin, dan simbol-simbol berwarna pula akan mula terapung di dari pelbagai sudut di permukaan skrin. Pemain perlu menekan butang muka tepat sewaktu simbol berwarna bertindih pada simbol kelabu dan berdasarkan kepada ketepatan mereka terhadap pemasaan dan diberi nilai. Ketepatan digambarkan dengan perkataan dipaparkan di sudut kanan bawah skrin, daripada "COOL" sehingga "WORST". Permainan diberi ganjaran atas ketepatan dan pemain yang dianugerahkan dengan pangkat yang terdiri bermula "Perfect" sehingga "Mistake" (ditandakan dengan MissXTake ). Ia juga termasuk mod peluang di mana sistem mata kombo yang diperolehi, sebagai contoh satu nota sempurna memberikan anda 100 mata, jika anda mempunyai kombo 34 nota, nota ke-34 sahaja sudah memberi anda tambahan 3400 mata.[3][2][4]

Selain ciri standard permainan berirama, keupayaan pengguna untuk menjana kandungan dalam Edit Mode juga merupakan ciri-ciri istimewa. Edit Mode membolehkan pengguna untuk mencipta Video Promosi (PV) atau Video Muzik mereka sendiri , sama ada yang menggunakan lagu yang sudah wujud dalam permainan atau mana-mana fail muzik berformat MP3 dari memori simpanan pemain untuk PV. Pemain boleh menyesuaikan latar belakang video, modul yang pelbagai, latar belakang, pakaian dan juga pergerakan tarian oleh modul dalam PV. Pemain juga boleh mengubah suai muka modul untuk membuat modul yang muncul yang akan menyanyi untuk lip-sync lagu adat untuk video. Selain daripada Edit Mode, terdapat juga mod Diva Room di mana pemain boleh membeli dan mendapatkan barangan sepanjang permainan atau dari kedai dalam permainan untuk menghiasi bilik modul mereka. Pemain juga boleh mengambil screenshot modul mereka sementara mereka bermain di dalam bilik mereka.[3][1][4]