В Serious Sam HD: The Second Encounter классический сюжет сохранился: Сэм сражается с разнообразными монстрами — слугами Ментала. Обновлённая HD-версия получила новые экранные разрешения, графические и звуковые эффекты, более качественные текстуры и другие изменения, осовременившие игру.

На выбор доступны кампания и режим выживания. В выживании нужно как можно дольше противостоять огромным волнам противников на специальных картах. Оба режима рассчитаны как на одиночное прохождение, так и на игру вдвоём. В отдельном кооперативном варианте команде отводятся три общие жизни на этап.

Для мультиплеера предусмотрено девять режимов. В охоте и захвате флага можно играть в форматах «каждый сам за себя» или командами. Охота приносит очки за уничтожение врагов, сбор предметов и обнаружение секретов. В опасном бою, классической смертельной схватке, остаётся победителем последний выживший. Мгновенное убийство ускоряет бой: соперника достаточно поразить одним выстрелом. Есть и раунд с переносимым предметом — итоговый счёт растёт, пока игрок удерживает его.

Среди прочих изменений — возможность сражаться с монстрами на геймпаде. Снайперская винтовка и огнемёт получили иной вид: теперь заметно, что персонаж держит оружие обеими руками. Бензопила может рассечь чудовище надвое. На первом уровне за четыре спиленных дерева открывается секретная находка — автомат Томпсона с боеприпасами. Изменились и отдельные места: например, в круглой комнате появилась вращающаяся центрифуга.