Dans Portal, le joueur contrôle en vue subjective un personnage nommé Chell Johnson (dont le nom n'est pas cité dans le jeu mais qui sera utilisé dans le film), qui doit traverser une série de salles en utilisant une arme à portails (portal en anglais). Cette arme permet de créer deux portails distincts, l'un orange, l'autre bleu. Aucun d'entre eux n'est nécessairement l'entrée ou la sortie, et tout objet traversant un portail ressortira par l'autre sans changement de vitesse. Les portails ne peuvent pas être créés sur toutes les surfaces, mais un essai raté de création de portail n'affectera pas les portails déjà mis en place. Le joueur peut aussi ramasser des objets, mais n'est pas capable de les lancer sur de grandes distances. Ces objets, souvent des cubes de stockage, peuvent être utilisés pour appuyer sur des interrupteurs afin d'activer des plate-formes ou d'ouvrir des portes ou pour faire bouclier contre les tirs des tourelles, mais ces cubes ne peuvent pas être transportés de salle en salle.
Schéma illustrant la conservation de la vitesse des objets lorsque ceux-ci traversent les portails. En sautant dans le portail du bas, le personnage est propulsé en dehors du portail du haut et jusqu'à la plate-forme de droite.
Les portails créent une connexion physique et visuelle entre deux endroits différents dans un espace tridimensionnel. Les extrémités des portails sont limitées à des surfaces planes, et, lorsque les extrémités des portails sont situées sur des surfaces non parallèles, des effetsgéométriques et gravitationnels anormaux peuvent être observés. Un aspect important du jeu est la « redirection de quantité de mouvement. » Les objets conservent leur vitesse quand ils passent à travers un portail, mais leur direction sera modifiée en fonction de l'orientation du portail de sortie. Cela permet au joueur de propulser des objets ou son avatar sur de grandes distances, à la fois verticalement et horizontalement....