Sunset Overdrive é um jogo de ação e aventura em perspectiva de terceira pessoa. Os jogadores navegam em uma metrópole chamada Sunset City no ano de 2027. Esse mundo distópico foi invadido por mutantes chamados OD, abreviação de Overcharge Drinkers. O personagem do jogador é um ex-funcionário da FizzCo, encarregado de limpar a bagunça deixada para trás de uma festa que a FizzCo deu para comemorar o lançamento de sua nova bebida energética, Overcharge Delirium XT. No início do jogo, os jogadores podem personalizar o gênero, tipo de corpo, penteado e roupa do protagonista usando o criador do personagem. Os jogadores também podem alterar a aparência de seu personagem personalizado a qualquer momento do jogo, aproximando-se de um fornecedor chamado Callista. Depois de criar seus personagens, os jogadores seguem para o mundo aberto do jogo, que é gratuito para os jogadores explorarem a qualquer momento. Um sistema de viagem rápida é fornecido, permitindo que os jogadores cheguem a diferentes locais e naveguem pelo mundo rapidamente. O jogo apresenta uma campanha principal com elementos da história e missões secundárias, que são acionadas automaticamente quando os jogadores entram em determinados locais da cidade. Essas missões envolvem principalmente jogadores entregando objetos para outros personagens não jogáveis ​​e coletando itens do mundo. Algumas dessas missões têm limites de tempo. Ao longo do jogo, os jogadores encontram inimigos humanos, como membros de gangues, robôs da FizzCo, humanos com OD que sofreram mutações por beberem muita bebida energética e vários chefes que são mais difíceis de derrotar do que outros jogadores comuns. inimigos. O jogo apresenta uma variedade de armas para os jogadores usarem para combater inimigos. Isso inclui o rifle de assalto AK-FU e o lançador de granadas TNTeddy, que dispara ursos de pelúcia amarrados a paus de dinamite, fogos de artifício e helicópteros de brinquedo. Todas as armas acabam sem munição, mas não precisam ser recarregadas enquanto estão sendo usadas. Os jogadores desbloqueiam mais armas progredindo na história ou comprando-as em lojas. As armas podem ser atualizadas e modificadas aplicando "Amps", o que aumenta a letalidade, eficiência e força das armas. As armas podem ser aumentadas de nível quando os jogadores ganham pontos de experiência suficientes ou derrotam inimigos suficientes com eles. O combate do jogo se concentra na velocidade e incentiva os jogadores a derrotar os inimigos em um ritmo acelerado. Como resultado, os jogadores podem empregar movimentos diferentes, incluindo corrida na parede, corrida de ar, tirolesa, parkour, acrobacia e travessia de água. Os jogadores usam trilhos de moagem para navegar habilmente pelas ruas da cidade e são capazes de mudar de direção instantaneamente à vontade. A cidade também está cheia de itens para os jogadores pularem no ar. Os jogadores podem utilizar suas armas enquanto executam esses movimentos e diminuir o tempo para os jogadores apontarem. A pé, os jogadores não podem andar, se esconder ou derrotar inimigos silenciosamente , mas devem confiar na agilidade para sobreviver, pois serão esmagados rapidamente pelos inimigos se optarem por andar no chão. O jogo também possui um medidor de estilo. Mostrado na exibição head-up (HUD) do jogo, o medidor aumenta à medida que os jogadores realizam movimentos elegantes, como matar inimigos e triturar nos trilhos sem tocar o chão. Quando os jogadores são mortos, eles não precisam esperar o jogo carregar. Os jogadores podem reaparecer e retornar ao mundo por diferentes métodos, como descer com um foguete ou sair de um sarcófago de ouro. A Insomniac nomeou esse sistema como "Nova geração de respawning". O jogo apresenta um modo multijogador cooperativo para oito jogadores chamado Chaos Squad, que encarrega os jogadores de completar uma série de missões, conforme decidido pelos próprios jogadores. Os jogadores defendem barris de Overcharge Delirium XT de ondas de OD à noite e interrompem sua progressão criando fortificações e barreiras, de maneira semelhante aos jogos de defesa de torre. Ele está interconectado com o modo single-player, permitindo que os jogadores transfiram seu personagem da história, com todas as armas e gadgets que eles já acumularam, para o modo. Embora os jogadores trabalhem juntos, eles também tentam ganhar mais pontos de estilo durante o jogo do que seus parceiros cooperativos.