Игровой процесс вращается вокруг Переносного устройства создания порталов (англ. Aperture Science Handheld Portal Device) — вымышленного устройства, которое позволяет создавать два портала. Порталы ограничены плоскими поверхностями. В одно и то же время могут быть открыты только два портала, различающиеся по цвету — голубой и оранжевый. При открытии нового портала ранее открытый портал того же цвета закрывается. Кроме этого, порталы одного цвета могут открываться поверх друг друга, в то время, как «противоположный» по цвету портал должен быть открыт в стороне. Порталы сохраняют кинетическую энергию и импульс проходящего сквозь себя тела, что часто используется при решении головоломок. В этом случае порталы необходимо открывать с таким расчётом, чтобы перед входом в один портал игрок набирал кинетическую энергию, а после выхода из другого тратил её на преодоление препятствия.

Сквозь портальный проход нельзя открывать иные порталы, однако могут проходить игрок и предметы. В устройство создания порталов также встроен упрощённый вид манипулятора энергетического поля нулевого уровня из Half-Life 2, который позволяет поднимать предметы и перемещать их в пространстве в непосредственной близости от себя. Открытие порталов по умолчанию привязано к кнопкам мыши, а манипуляции с предметами осуществляются с помощью клавиатуры. Также игрок может передвигаться на корточках и подпрыгивать, но эти способности в большинстве случаев не используются — многие препятствия можно и необходимо преодолевать с помощью порталов.

Игра состоит из 19 тестовых комнат, переходы между которыми осуществляются с помощью лифта, а также ряда подсобных помещений с непосредственной подгрузкой по ходу прохождения (аналогично Half-Life 2). По мере прохождения игры задания становятся всё сложнее, заставляют комбинировать различные приёмы, такие как перемещение грузового куба на кнопку, использование энергетического шара в качестве источника энергии, использование закона сохранения импульса и прочие. Препятствия включают в себя стены, на которых нельзя создать портал, кислоту, силовые поля (прохождение через эти поля уничтожает предметы, которые в данный момент несет игрок, а также закрывает порталы, оставляя лишь устройство для их создания). После прохождения девятнадцати тестовых комнат головоломки продолжаются в «закулисье» центра тестирования. Этот этап несколько сложнее, так как уровни содержат много декоративных элементов, что подчёркивают разработчики в игровых комментариях. В конце игры состоится единственная битва с боссом, которая требует полученных навыков обращения с порталами. Из противников в игре представлены только ракетные и пулеметные турели, причём они обе являются неподвижными.

Порталы
Внешний вид порталов. Порталы имеют вид дверного проёма или окна формы эллипса, окаймлённого переливающейся, похожей на огонь цветной рамкой.
Термин «Портал», использующийся в описании игры, характеризует несуществующий в реальном мире объект, встречающийся в фантастической литературе в различных формах и обладающий различными свойствами. Однако в большинстве случаев под порталом понимается червоточина, соединяющая две обычно удалённые друг от друга точки пространства. В голосовых комментариях разработчики отмечают, что игроки изначально предполагают, что портал открывается в иной мир, однако в Portal представлены именно червоточины, в связи с чем первые несколько задач являются вводными и служат цели обучить игрока этой концепции. Кроме того, разработчики хотели, чтобы игрок почувствовал себя в безопасности внутри портала, поэтому закрывающийся портал не может убить главную героиню или уничтожить игровой объект, а лишь выталкивает их.
В Portal игрок сталкивается с системой двух порталов, связанных между собой. Порталы равнозначны, и оба в равной степени могут использоваться в качестве как входа, так и выхода. Порталы могут располагаться на плоских неподвижных поверхностях. Портал кажется всего лишь отверстием в стене, однако, войдя в один из порталов, игрок выходит не с другой стороны стены, а из другого портала. Таким образом, имеет место моментальное перемещение между двумя удалёнными точками.
В игре портал имеет вид дверного проёма или окна эллиптической формы, окаймлённого переливающейся, похожей на огонь цветной рамкой. Через такой портал могут проходить игрок и предметы; при этом факт прохождения через портал не изменяет их кинетическую энергию и импульс.[20] Кроме того, портальный проход пропускает сквозь себя свет, что позволяет видеть обстановку и объекты, находящиеся по другую сторону портала. На этом свойстве основан интересный визуальный эффект игры, при котором два портала, открытых друг напротив друга, создают в себе изображение бесконечного ряда порталов одного цвета — подобный эффект можно увидеть, если поставить друг напротив друга два зеркала.
Кроме того порталы, открытые на полу и потолке напротив друг друга, создают эффект «бесконечного падения» — игрок, вошедший в портал начинает свободно падать, пролетая через «бесконечное» число портальных проходов с постоянным ускорением, пока не достигнет установившейся скорости падения. В процессе падения игрок может наблюдать в портале множество образов самого себя. Для стороннего наблюдателя очевидно, что игрок многократно проваливается в портал на полу и вылетает из портала на потолке.[21]

Дополнительные карты
По мере прохождения игры открывается возможность проходить дополнительные карты, которые представляют собой изменённые тестовые камеры основной части игры с 13-й по 18-ю. Дополнительные карты делятся на усложнённые (англ. advanced maps) и соревновательные карты (англ. challenged maps).
Усложнённые карты представляют собой изменённые версии тестовых камер, взятых за основу. В них могут быть добавлены стены, на которых не открываются порталы, обычные полы могут быть заменены кислотой, а турели могут быть заперты в специальные клетки, которые не позволяют их сбивать. Тестовая камера с Кубом-компаньоном несколько изменена; сам куб заменён на сферу, которая подпрыгивает при падении с высоты и катается по ровному полу, что значительно усложняет решение задачи.
Соревновательные карты предлагают игроку испытания трёх видов: на минимальное количество шагов (англ. least steps), на минимальное количество открытых порталов (англ. least portals) и на минимальное время прохождения (англ. least time), при этом сами тестовые камеры изменений не претерпевают. После прохождения карты отображается статистика, в которой результат пользователя сравнивается с тремя возможными значениями, соответствующими бронзовой, серебряной и золотой медалям. Побив какое-либо значение, игрок получает прилагающуюся медаль. Целью режима является сбор всех медалей во всех испытаниях на всех картах.

Система достижений

Меню игровых достижений
Сверху отображается общий процент выполненных достижений, ниже — прогресс по каждому в отдельности. Заработанные выделяются особенной картинкой, заголовком зелёного цвета и текстом белого; у остальных — изображение замка́ и всё описание оформлено серым цветом.
В Portal, как и в другие игры The Orange Box встроена система достижений (англ. achievements), которая заключается в выполнении ряда второстепенных заданий и преодолении определённых сюжетных поворотов. Заработанные достижения не дают никаких преимуществ при прохождении, они лишь отмечаются в меню игры и сетевой статистике Valve. Например, часть достижений засчитывается при прохождении ключевых сюжетных моментов. Получив в Тестовой камере 11 полноценную портальную пушку, игрок заработает Lab Rat («Лабораторная крыса»). Также награждаются уничтожение Куба-компаньона в Тестовой камере 17 (Fratricide — «Братоубийца») и побег с «вечеринки» в Тестовой камере 19 (Partygoer — «Тусовщик»). А прошедший всю игру получает Heartbreaker («Разбиватель сердец»).
Ряд заданий подразумевает некую активность в процессе всей игры. Достижения получают пролетевший 30 000 футов вниз (Terminal Velocity — «Предельная скорость») и прыгнувший на 300 футов в длину (Long Jump — «Затяжной прыжок»). Также вознаграждаются те, кто собьют со стен 33 камеры слежения (Camera Shy — «Застенчивый») и столкнут одну автоматическую турель другой (Friendly Fire — «Огонь по своим»).
Кроме того, игрок получит награды за прохождение дополнительных карт. За выполненные две, четыре и шесть продвинутые карты выдаются Cupcake («Кекс»), Fruitcake («Полноценный торт») и Vanilla Crazy Cake («Огромный торт с кремом»), соответственно. Тот же, кто пройдёт все задания на соревновательных картах на бронзу, серебро и золото, получит достижения Basic Science («Новичок в науке»), Rocket Science («Настоящий учёный») и Aperture Science («Первооткрыватель»).