Battlefield 3 предлагает масштабные сетевые сражения: на больших картах могут встретиться до 64 игроков. Одиночная кампания рассказывает драматичную историю и использует зрелищные эффекты на движке Frostbite.

В сюжетных эпизодах предстоит играть за четырёх героев: сержанта Генри Блэкбёрна, от лица которого ведётся повествование; сержанта Джонатана Миллера, танкиста; лейтенанта Дженнифер Хокинс, пилота истребителя; и Дмитрия Маяковского, сотрудника ГРУ. Их миссия — сорвать ядерные атаки на крупнейшие города мира.

В Иране власть захватывает Народно-освободительное сопротивление Фарука Аль-Башира. Его сторонники готовы пожертвовать соратниками и стремятся погрузить мир в хаос, угрожая войной и разрушениями. Аль-Баширу помогают Соломон — внедрённый в американское правительство агент — и торговец оружием Амир Кафаров: именно Кафаров передаёт лидеру три ядерные бомбы.

Сюжет переносит игроков в США, Ирак, Иран, Францию и Азербайджан. В игре предусмотрены 12 одиночных и 6 совместных миссий, действие которых разворачивается в разных уголках планеты. Сетевые бои проходят на более чем 20 картах, включая «Переправу через Сену», «Вершину Дамаванды» и «Границу Каспия». В сражениях доступно множество видов наземной и воздушной техники.

За сетевые успехи можно получать звания и открывать снаряжение для четырёх классов: штурмовика, саппорта, инженера и разведчика. Для игры также выпускалось много отдельно загружаемого контента: небольшие карты для боёв без техники, режимы «Gun Master» и «Rush», оружейные обвесы и достижения.