Геймплей Remember Me включает в себя элементы платформера, а также исследование мира и рукопашный бой. Игровой процесс происходит с видом от третьего лица. В игре представлена механика изменения воспоминаний: игрок входит в воспоминания какого-либо персонажа и может изменять их, а также манипулировать событиями. Для достижения цели необходимо изменять различные детали в воспоминании. Другая ключевая механика игрового процесса — кража воспоминаний у определённых целей и использование их впоследствии в специальных точках, называемых «Мнемофон». Это часто необходимо для продвижения по сюжетной линии или для того, чтобы избежать скрытые от игрока опасности. Помехи на экране появляются когда у Нилин мало здоровья; помехи останутся до тех пор, пока не будет восстановлено достаточное количество здоровья. Иногда Нилин сталкивается с различными загадками, которые необходимо решить, чтобы открыть двери и продвинуться дальше по сюжету.

Что касается боя, игра позволяет игрокам создавать и настраивать свои собственные комбо-связки в разделе «Лаборатория связок». Для создания связок необходимо добавлять в них боевые приёмы, получая тем самым цепочки ударов. В игре доступны четыре категории приёмов: силовые (для нанесения урона), восстановительные (для ускорения зарядки специальных приёмов), регенерирующие (для восстановления здоровья) и связующие (для усиления предыдущего приёма в связке). Приёмы разблокируются при помощи ООП (очки процедурной памяти). Одновременно нельзя создать более четырёх комбо связок. Существует 50 000 возможных комбинаций. Так же игроку доступны пять специальных приёмов, которые разблокируются по ходу сюжета. Чтобы воспользоваться каким-то спецприёмом, необходимо накопить достаточное количество единиц «фокуса». «Фокус» накапливается как при нанесении урона, так и при получении его от врагов. Спецприёмы позволяют оглушать группы врагов, двигаться на высокой скорости, становиться невидимым и наносить больше ударов, а также переманивать враждебных роботов, которые сражаются на стороне игрока, а затем самоуничтожаются. Игрокам также доступно оружие дальнего боя, такое как «Спаммер» и «Ржавый болт».