Earthworm Jim HD представляет собой обновлённую версию оригинальной игры: в ней улучшена графика и исправлены отдельные игровые моменты. Главный герой — мутировавший червь Джим, оказавшийся в космическом скафандре, упавшем на Землю. После превращения он стал умнее и крупнее и обрёл облик супергероя.

История следует за приключениями Джима и его схватками с многочисленными врагами. Кампания состоит из уровней, по мере прохождения которых раскрывается продолжение сюжета. Игрок ведёт героя через двумерные пространства платформера, преодолевая препятствия и уклоняясь от атак: попадания могут ранить Джима или привести к его гибели. Задача — проходить уровни, выполнять задания и расправляться с нападающими противниками.

В бою Джим может стрелять из пистолета или атаковать удлиняющейся частью головы, словно хлыстом. В обновлённую игру добавлены три уровня с новым контентом и сражениями с боссами. Также доступен кооперативный многопользовательский режим — вместе могут играть до четырёх человек.