Геймплей No Man's Sky предполагает исследование космического пространства и планет, на некоторых из которых возможно взаимодействие с различными формами внеземной жизни, добычу ресурсов, сражения в космосе в разнообразных, случайным образом генерируемых областях галактики, развитие и улучшение собственного корабля, выполнение заданий для «охотников за головами».
Каждая область космического пространства и каждая планета будут уникальными, процедурно-сгенерированными по заранее заданным алгоритмам. Информация обо всех звёздных системах, планетах и видах населяющих их форм жизни открывается и обновляется совместно с другими игроками, при этом у каждого объекта можно будет увидеть его первооткрывателя. Игра начнётся на случайно сгенерированной планете, будь то пустынная, с червями высотой в пятиэтажку, выбраться с которой — уже достижение, или мирная, зелёная планетка похожая на Землю. Находиться эта планета будет на окраине галактики и на старте у игрока не будет собственного космического корабля.
Изначально предполагалось, что игра не будет мультиплеерной и взаимодействие между игроками ограничится лишь общей для всех информацией об открытиях. Однако в более поздних интервью разработчики говорят уже о том, что встреча с другим игроком будет скорее событием маловероятным, поскольку размеры игровой вселенной практически не ограничены, но они не исключают возможности реализации ими режима совместного прохождения игры, вероятно, уже после выпуска. Помимо этого, особо отмечается, что те или иные формы жизни можно будет встретить лишь на 10 % планет. По предварительным данным известно, что игра будет иметь более 15 миллионов вариантов развития сюжета.
Основной целью игрока станет осуществление путешествия к центру галактики. Разработчики также заявляют, что после выхода игры намерены продолжать её развитие и со временем будут добавлять новые возможности.