Bionic Bay sijoittuu muinaiseen biomekaaniseen maailmaan, jossa pelaaja ohjastaa tiedemiestä, joka käyttää teleportointiin perustuvaa välinettä paetakseen ympäristöstä, joka on täynnä teknologisia rakenteita, ansoja ja salaisuuksia. Pelissä edetään tutkimalla ympäristöä ja selvittämällä, miten siihen voi vaikuttaa vaihtomekanismilla ja fysiikkamallinnuksella.
Pelin keskeinen järjestelmä perustuu siihen, että pelaaja voi vaihtaa paikkaa esineiden tai vihollisten kanssa. Mekaniikkaa voi hyödyntää liikkumiseen, puolustautumiseen ja hyökkäykseen. Ympäristö reagoi fysiikan lakien mukaan, joten pelaajan tulee ottaa huomioon esimerkiksi putoaminen, törmäykset ja muut seuraukset, jotka voivat johtaa pelihahmon tuhoutumiseen eri tavoin.
