В SUPER ROBOT WARS Y герои и пилоты из множества аниме- и научно-фантастических франшиз оказываются в общем масштабном конфликте. В этой одиночной сюжетной кампании их столкновения складываются в новую историю: персонажи, которым в иных обстоятельствах не довелось бы встретиться, вступают во взаимодействия и конфликты.

Сражения идут пошагово на клеточной карте с видом сверху. Игрок командует мехами и их пилотами, размещая отряд на поле и выполняя манёвры, чтобы одолеть противника и продвигаться по сюжету. Цель каждого задания — победить общих врагов силами собранного отряда.

После этапов выдаются кредиты и ресурсы: их можно направить на улучшение боевых машин и подготовку экипажей к следующим испытаниям. В игре также есть Assist Link — система, вовлекающая персонажей поддержки в операции. Они развивают свои способности и влияют на ход боя, порой меняя его исход.