Patient 001 предлагает игроку примерить на себя роль полицейского, направленного на расследование в заброшенную психиатрическую клинику. В этом учреждении проводились запрещенные опыты, которые ужасным образом изменили пациентов, превратив их в враждебных монстров. Главная задача в игре Patient 001 — пробираться по мрачным коридорам комплекса, по крупицам собирать информацию о произошедших экспериментах и найти способ выбраться на свободу. Каждое ваше решение продиктовано жесткой экономией ресурсов, которых в здании катастрофически мало. Путь к спасению лежит через финальную встречу с тем, кто виновен в том, что герой оказался в этой ловушке.

Геймплей Patient 001 строится вокруг тщательного управления инвентарем и тактических столкновений. Вместимость рюкзака протагониста крайне мала, что постоянно заставляет делать сложный выбор: что взять с собой, что выбросить или какие компоненты пустить на создание патронов. Сохраниться в игре можно только с помощью специальных кассет, разбросанных по комнатам лечебницы. Встречи с мутировавшими существами несут постоянную опасность, а ограниченный боезапас требует взвешенного подхода к каждому бою.

Планировка локаций непостоянна — с каждой новой игровой сессией маршрут прохождения меняется. Расположение ключевых предметов, улик, кодов от дверей и самих противников генерируется процедурно, что делает путь к финалу уникальным. Движение вперед часто преграждают головоломки, для решения которых нужна внимательность и логика, чтобы раскрыть тайны и получить доступ к новым зонам. Принятые в ходе расследования решения влияют на мир и сюжет, ведя историю к одной из нескольких концовок, которые зависят от действий игрока.