SpaceChem — головоломка о работе инженера космической станции. Исследуя, игрок проводит химические реакции, а также ядерное деление и синтез. Кампания построена из эпизодов, каждый из которых включает несколько этапов. На каждом этапе нужно задавать программу для двух реакторных манипуляторов. Задания бывают исследовательскими, производственными и оборонительными: в первых взаимодействуют с реактором, во вторых связывают реакторы трубами и подают к ним химические элементы, а в третьих сражаются с монстрами, угрожающими уничтожить станцию SpaceChem.

У реактора два входа и два манипулятора — уолдо. Игрок задаёт направление их движения и выбирает команды: захватить или отпустить объект, повернуть, образовать либо разорвать химическую связь, выполнить ядерный синтез или деление. Цель — собрать соединение, заданное выходом реактора.

После решения головоломки игра показывает статистику: число потраченных циклов, задействованных реакторов и использованных инструкций. Результаты отражают личные достижения и сопоставляются с показателями других игроков. Можно соревноваться с сильнейшими, стараясь получить нужный результат за наименьшее число циклов.