Dark Sector é um jogo de tiro em primeira pessoa, ambientado em um futuro não muito distante, na cidade ficcional de Lasria, para onde é mandado Hayden Tenno, agente da CIA. Com a missão inicial de investigar sobre a produção de armas biológicas nesse país ficcional da antiga URSS, o protagonista se depara com uma realidade aterradora: o local está totalmente devastado por um gás radiotavo,  encontrando-se em ruínas e habitado por pessoas que estão sofrendo mutações genéticas.O protagonista também passa a sofrer uma mutação, com a qual terá que aprender a conviver: em seu braço direito cresce a potente glaive, uma arma com três lâminas afiadas, a qual pode ser lançada no ar e retornar às mão de Hayden, automaticamente, como um bumerangue. No seu caminho de ida e volta, a glaive é capaz decepar membros inteiros do inimigo, inclusive partindo-o ao meio, além de atingir várias pessoas de uma só vez. Outra habilidade da glaive é a sua capacidade de combinar-se a outros elementos, como o fogo, o gelo e a eletricidade, para incendiar, congelar ou eletrocutar um adversário, ao atingi-lo.   Hayden também conta com outras armas, como pistolas, escopetas e granadas, para atacar os adversários, cada qual contendo várias funções muito úteis durante o combate. A jogabilidade e o esquema de controles é bastante parecido com o de Gears of War, trazendo, por exemplo, um sistema de cobertura (cover) similar ao do shooter da Epic Games.