MARVEL Cosmic Invasion — межзвёздный сайд-скроллинговый beat 'em up о противостоянии Волне Аннигиляции, возглавляемой Аннигилусом и угрожающей галактике. Игрок может выбрать одного из 15 героев. История проходит через разные места: от Земли, в том числе Нью-Йорка, до космоса и Негативной Зоны. Среди доступных персонажей — Нова, Человек-паук, Росомаха, Фила-Велл и Капитан Америка; они объединяют усилия против галактической угрозы.

Для смены бойцов предусмотрена механика Cosmic Swap: перед уровнем выбирают двух героев, а затем переключаются между ними прямо во время сражения. Их способности рассчитаны на взаимодействие, поэтому можно применять совместные приёмы и подбирать подходящие пары для разных боевых ситуаций. Игра поддерживает кооперативное прохождение как по локальной сети, так и онлайн.

По мере наступления Волны Аннигиляции под угрозой оказывается существование всего космоса. Игроки проводят выбранную пару через разнообразные этапы и сражаются с группами противников, связанными с Аннигилусом. В ростере представлены персонажи из разных частей вселенной Marvel — как земные защитники, так и космические сущности. Задача героев — отбить вторжение и остановить продвижение сил Аннигилуса через звёздные системы.