Rozgrywka Przeniesienie akcji gry w czasy współczesne oznaczało wprowadzenie nowych rodzajów broni i technologii do serii Call of Duty, na przykład karabinu M14, karabinka M4A1 z akcesoriami SOPMOD, karabinu wyborowego M40A3, granatnika M203, celownika laserowego AN/PEQ-2 w połączeniu z noktowizorem, pistoletu maszynowego MP5SD, AK-47 i modyfikacji AKS-74U oraz granatnika przeciwpancernego. Broń poległych wrogów można podnieść w celu zastąpienia nią arsenału gracza. Gracze mają także specjalne zdolności, między innymi zamontowanie granatnika na posiadanej broni, obsługa min przeciwpiechotnych Claymore z kablowym detonatorem i C4 oraz umiejętność wezwania ataku powietrznego bądź śmigłowca szturmowego.
Rozgrywka w Call of Duty 4 udostępnia kilka cech powtórzonych we wcześniejszych częściach serii. Ponownie gracze walczą wraz z kontrolowanymi przez sztuczną inteligencję towarzyszami. Pomagają oni podczas misji w grze poprzez prowadzenie ognia zaporowego oraz zabijanie wrogów.
Bohater może przyjmować trzy postawy: stojącą, kucającą lub leżącą;