Nier: Automata adalah sebuah permainan video main-peranan aksi dunia terbuka yang ditetapkan pada masa pasca-kemusnahan bumi beribu-ribu tahun selepas peristiwa yang berlaku dalam Nier. Pemain memainkan peranan unit-unit android tempur YoRHa dalam persekitaran yang terbuka. Tambahan kepada cara pergerakan biasa, pemain boleh memanggil binatang liar untuk menunggangnya. Dalam sesetengah situasi, mech terbang boleh didapati untuk melawan musuh. Seperti permainan video sebelumnya, kedudukan kamera berubah daripada third-person view kepada overhead atau sudut pandangan side-scrolling mengikut pergerakan pemain dalam sesetengah persekitaran. Beberapa kawasan juga mempunyai platforming puzzles yang memerlukan pemain untuk bergerak dengan melompat antara platform atau penghalang. Pemain juga boleh melakukan pencarian sampingan untuk watak bukan pemain yang dijumpai di lokasi-lokasi pusat, di mana pemain boleh membeli item dan barangan pakai buang yang boleh memulihkan kesihatan.

Tempuran adalah berdasarkan aksi, pemain menentang musuh dalam masa-nyata dalam pelbagai persekitaran dalam-permainan. Semasa pertempuran, karakter boleh menggunakan serangan ringan—yang laju tetapi lemah—dan serangan berat—perlahan dan lebih kuat. Karakter juga boleh mengelak serangan musuh, dan jika dilakukan dengan betul karakter tersebut memperoleh kekebalan sementara dan boleh melancarkan serangan balas yang dapat menghasilkan kerosakan berat. Karakter tersebut juga dibantu oleh Pod mereka, sebuah robot terbang yang boleh melakukan serangan berjarak yang boleh diubahsuai, daripada tembakan biasa kepada pukulan berat. Karakter boleh mengakses empat jenis senjata dalam pertempuran: pedang pendek, pedang panjang, bracers, dan lembing. Apabila menyerang, karakter boleh bersilih ganti antara kedua-dua senjata dan serangan untuk menghasilkan kombinasi serangan. Weapon Stories, sebuah unsur berulang dalam Nier dan Drakengard, di mana senjata yang dijumpai di merata dunia mempunyai cerita yang dilampirkan ke atasnya, turut dirancang.

Sepanjang kemajuan pemain, mereka memperoleh pengalaman dan dapat meningkatkan kesihatan, pertahanan, dan kekuatan serangan mereka. Pengubahsuaian karakter dilakukan melalui Chips, item yang dipasang kepada karakter pemain yang melaraskan beberapa sifat mereka; chip-chip ini boleh mengubah HUD untuk menunjukkan nyawa musuh dan kerosakan. Bilangan chips yang boleh dipasang pada setiap masa terhad kepada berapa slot yang karakter tersebut mempunyai. Chips boleh dibeli di kedai atau diambil daripada musuh yang dikalahkan. Jika pemain tersebut mati, mereka akan dikembalikan ke save point terakhir mereka. Karakter pemain kemudiannya boleh mencari badan asal mereka dan pilih untuk sama ada mengambil semula item dan pengalaman yang ditinggalkan untuk mendapat bonus, atau cuba untuk membaikinya semula. Jika berjaya, badan tersebut akan menjadi sekutu sementara. Jika tidak, badan tersebut akan menjadi musuh yang pemain boleh mengalahkan untuk mendapatkan bonus ekstra.

Plot

Nier: Automata bermula dengan 2B dan 9S membuka jalan untuk pencerobohan ke dalam kawasan mesin (machine lifeforms, "mesin-mesin hidup"), sama-sama berusaha untuk memusnahkan ancaman mesin bagi kumpulan Resistance di Bumi. Dengan bantuan Anemone dan kemudiannya Pascal, 2B dan 9S mengalahkan pelbagai ancaman mesin. Dalam misi-misi mereka, mereka menyaksikan kelahiran dan kemudiannya berlawan dengan Adam dan Eve, manifestasi fizikal rangkaian mesin yang mendedahkan kemusnahan pencipta mereka abad-abad yang lalu. 2B dan 9S juga bertembung dengan A2 yang sedang melarikan diri daripada YoRHa. Ditunjukkan bahawa mesin bermula untuk mendapat perasaan dan hidup secara berkumpulan, dan sesetengah kumpulan seperti kumpulan Pascal telah penat berlawan. 9S akhirnya ditangkap oleh Adam, yang dibunuh oleh 2B. Akibat kehilangan abangnya, Eve menjadi gila akibat kesedihannya dan mendorong mesin-mesin suruhannya ke arah kegilaan. 2B dan 9S bunuh Eve, tetapi 9S dijangkiti dengan logic virus mesin tersebut, memaksa 2B untuk membunuhnya. Walaupun badannya musnah, personaliti 9S diselamatkan dalam rangkaian mesin tempatan lalu membenarkan pemindahan personaliti 9S kepada badan baharu.

Permainan seterusnya mengikuti naratif pembukaan daripada perspektif 9S yang menawarkan pandangan baharu bagi mesin, dan Adam dan Eve. 9S turut mempelajari bahawa manusia sudah pupus sejak peristiwa Nier kecuali sebuah pelayan yang terletak di bulan yang memegang DNA dan sejarah manusia. YoRHa dan misinya telah dicipta untuk memastikan android tidak hilang semangat. 9S juga menemui gangguan apabila melaksanakan penyelarasan pelayan dan menghentikan prosedur tersebut untuk dirinya dan 2B.

Kematian Adam dan Eve meninggalkan rangkaian mesin dalam kekacauan, menyebabkan YoRHa melancarkan serangan skala penuh. 2B dan 9S membentuk sebahagian daripada barisan hadapan, tetapi serangan logic virus menukarkan semua unit YoRHa menjadi ganas, kecuali 2B dan 9S. Mereka berdua berundur ke kubu, yang kemudiannya ditakluki; "gangguan" yang 9S temui merupakan sebuah pembukaan dalam pertahanan virus YoRHa, menyebabkan seluruh skuadron mereka terdedah. Komander yang turut dijangkiti mengarahkan 2B dan 9S untuk ke permukaan dan kemudiannya menghancurkan kubunya. 2B dan 9S terpaksa berpecah dalam perjalanan turun apabila diserang oleh penjahat YoRHa dan 2B akhirnya dijangkiti logic virus. 2B diselamatkan daripada penjahat YoRHa oleh A2, 2B kemudiannya memuat naik memorinya ke dalam pedangnyanya dan menugaskan A2 untuk melaksanakan misinya. 9S melihat A2 membunuh 2B dan tanpa mengetahui interaksi mereka, 9S berjanji akan membalas dendam terhadap A2. Sepanjang ini, sebuah struktur dipanggil The Tower yang dicipta oleh mesin muncul dari bawah tanah. Cerita ini kemudiannya dibahagikan antara A2 dan 9S, dengan Pod 042 dan 153 berinteraksi antara satu sama lain.

A2 menyambung misi-misi 2B menentang mesin. Semasa ceritanya, kampung Pascal diserang apabila mesin mula menggila dan apabila A2 dan Pascal menentang sebuah mesin, "kanak-kanak" kampungnya membunuh diri kerana takut dibunuh. A2 mendapat pilihan untuk memadam memori Pascal atau membunuhnya atas permintaannya. Sementara 9S menyiasat The Tower dan tujuannya: dia mempelajari bahawa android dan mesin dicipta daripada bahan-bahan yang sama, dan The Tower sedang bersedia untuk melancarkan sesuatu yang dia mengganggap sebagai peluru berpandu ke arah pelayan yang terletak di Bulan. Dalam usahanya, 9S terkesan dengan kehilangan YoRHa dan 2B secara ketara, menyebabkan emosi dan kesihatan mentalnya menjadi tidak stabil. 9S akhirnya memperoleh jalan masuk ke dalam Tower dengan bantuan Devola dan Popola yang mengorbankan diri mereka untuk menentang ancaman mesin—mereka didedahkan sebagai versi terakhir yang terselamat bagi sejenis android yang menyebabkan kepupusan manusia, menyebabkan mereka mengalami penganiayaan daripada android-android lain dan diprogramkan untuk rasa bersalah dan menebus perbuatan mereka. A2 mengikuti 9S ke dalam bangunan itu, di mana mesin yang mengawal kecerdasan buatan berhadapan dengan mereka berdua; kisah silam A2 sebagai satu-satunya android yang terselamat dalam unit pelopor YoRHa yang direka untuk dimusnahkan didedahkan, dan 9S mempelajari bahawa serangan logic virus ke atas YoRHa adalah sebahagian daripada rancangan untuk mengekalkan penipuan kewujudan manusia dan memerangkap mesin dan android dalam satu kitaran peperangan. 

Apabila mereka bertemu di atas Tower, A2 mendedahkan perkara yang sebenar tentang 2B; nama sebenarnya adalah "2E" (E ialah Exterminator, "penghapus"), sejenis unit YoRHa yang direka untuk membunuh 9S setiap kali dia menemui kebenaran tentang kepupusan manusia dan YoRHa; 2B menderita akibat tugasnya dan mahu membantu 9S melalui A2. 9S yang sekarang sudah menjadi gila akibat jangkitan logic virus, mencabar A2 untuk berlawan. Pemain kemudiannya diberi pilihan untuk mengawal 9S atau A2.

Dalam penutup ketiga, jika pemain memilih A2, 9S dikalahkan dan A2 selamatkan 9S daripada logic virus dan mengorbankan dirinya untuk memusnahkan Tower sementara Pod 042 membawa 9S ke tempat yang selamat. Dalam penutup keempat, jika pemain memilih 9S, mereka berdua membunuh satu sama lain dan pada detik-detik terakhirnya, kecerdasan buatan mesin memberitahunya bahawa The Tower telah mengubah fungsinya kerana evolusi mesin dan sekarang melancarkan bahtera yang mengandungi inti pati mesin, termasuk Adam dan Eve yang masih hidup untuk mencari dunia baharu. Semasa kredit, Pod 042 dan 153 bercakap kepada pemain apabila menemui data 2B, 9S dan A2 masih selamat. Jika pemain bersetuju untuk menyelamatkan data, ini mencetuskan penutup kelima: Pod 042 dan 153 menyusun semula memori dan pengalaman android-android tersebut dan membina semula badan mereka. Walaupun terdapat kemungkinan yang mereka bertiga akan mengulangi semula apa yang berlaku, kedua-dua Pod memegang kepada kepercayaan bahawa mereka akan mencipta sebuah masa depan baharu.