Call of Duty 4: Modern Warfare, Call of Duty serisinin diğer oyunlarında olduğu gibi birinci-şahıs nişancı türünde bir oyundur, ancak serinin diğer oyunlarının aksine 2.Dünya Savaşı yerine günümüze göre kurgulanmıştır.

Call of Duty serisindeki bir oyunun yakın zamanın mücadelelerine taşınması, M203 bomba atar, M4 Karabina, AN/PEQ-2 hedef imleci, gece görüş gözlükleri, MP5SD hafif makineli tüfek ve FGM-148 Javelin taşınabilir tanksavar füzesi gibi birçok yeni silah, teçhizat ve teknolojinin tanıtılmasını sağlamıştır.Oyuncu bu gibi özelliklere oyun ilerledikçe ulaşma imkanına sahip olmaktadır, ama el bombalarına ek olarak sadece iki silah taşımaktadır. Tasfiye edilen düşmanlardan düşen silahlar alınabilmekte ve oyuncunun teçhizatındaki silahlar ile değiştirilebilmektedir. Ayrıca oyuncular hava saldırısı ve saldırı helikopteri çağırabilme gibi ek yeteneklere sahiptir.

Call of Duty 4’ün oynanışı serinin diğer oyunlarına göre yenilikler içermektedir. Oyuncular, yapay zekânın kontrolündeki takım arkadaşları ile birlikte mücadele vermektedir. Dost askerler, oyunun görevlerinin bitirilmesine, koruma ateşi açmak, düşmanları elemek, ve giriş öncesi mekanları düşmandan temizlemek suretiyle yardım etmektedir.

Bir karakter üç duruş poziyonu alabilmektedir: ayakta, dizüstünde veya yüzükoyun yatarak; her biri karakterin hareketini, hedefi bulma oranını ve gizliliğini etkilemektedir. Siper kullanılması oyuncunun hem düşman ateşinden sakınmasını hem de ciddi bir darbe aldığında tekrar enerji seviyesini düzeltmesini sağlamaktadır, çünkü herhangi bir zırh veya alınabilir enerji çantası yoktur. Karakter herhangi bir darbe aldığında, ekranın kenarları kırmızı renkte parlamaktadır ve oyuncunun kalp atışları yükselmektedir. Eğer oyuncu ateş alanında uzakta bulunursa, o zaman iyileşebilmektedir. Eğer karakter herhangi bir el bombasının tahrip menzilinde ise, o zaman imleç el bombasının yerini gösterir ki böylece oyuncuya kaçma veya bombayı yerden alıp düşmana fırlatma imkanı vermektedir