X-Men Origins: Wolverine se inspira no filme de mesmo nome para criar a história e o cenário do jogo, vários momentos foram adicionados ao jogo para dar uma maior duração da história, junto com alguns inimigos que o Logan enfrenta no caminho, personagens como Gambit que apareceu no filme também dá as caras neste jogo.
O jogador controla o Wolverine que nesta época é mais conhecido como Logan, onde os personagem tem todas as mecânicas básicas de jogos de ação e aventura, como pular, socar, chutar, correr, etc. O jogo conta com um estilo de ação com níveis, tudo com um ambiente 3D incrível que remete diretamente ao cenários do filme.
X-Men Origins: Wolverine segue a história do filme, mostrando de uma forma bem mais resumida o passado romântico e violento do Wolverine, pondo em foco as antigas missões na África e o surgimento da Arma X. Ao longo do jogo, o seu principal objetivo se torna buscar vingança pela falsa morte de sua amada, Kayla Silverfox. Comparado ao filme, o Wolverine se torna muito mais violento e agressivo no jogo, pois aqui ele corta os braços, pernas e as cabeças dos adversários da forma mais destruidora e cabal que for possível. Wolverine faz uso de vários combos e finalizadores diferentes enquanto corta seus inimigos convertendo ataques leves e fortes em sérios danos. Frequentemente é possível incorporar o ambiente à causa da morte de um inimigo jogando-o em um espinho ou algo igualmente doloroso. O jogador também tem acesso a quatro ataques de fúria. Esses ataques são muito poderosos, mas exigem "rage" para serem executados. Rage, por outro lado, é coletado simplesmente por matar inimigos. Além disso, o jogo faz uso de quick time events para desdobrar sequências cinematográficas com script.
Ao matar inimigos, Logan ganha pontos de experiência (incluindo um multiplicador se ele os derrotar em rápida sucessão), bem como encontrando as dog tags escondidas em soldados mortos ao redor das fases. Depois de ganhar experiência suficiente, Wolverine avança um nível, ganhando não só mais pontos de saúde, mas também pontos de habilidade. Estes podem então ser usados para aprender novos combos ou aumentar a força dos já conhecidos. Além das dog tags, antigas roupas de Wolverine dos quadrinhos estão escondidas nas fases. Encontrar todos eles desbloqueia desafios de bônus e permite que o jogador use a roupa correspondente no jogo normal.
